滴流床的壓降和持液量_齊國禎

1、華東理工大學學報(自然科學版Journal of East China U nivers ity of S cience and Tech nology (Natural Science EditionVol.32No.12006-01收稿日期:2004-12-22作者簡介:齊國禎(1977-,男,上海人,研究方向為反應器的流體力學。E -mail :rocks beer 文章編號:1006-3080(200601-0020-04滴流床的壓降和持液量齊國禎1,謝在庫2,鐘思青2,張成芳1,陳慶齡2(1.華東理工大學化工學院,上海200237; 2.中國石化上海石油化工研究院,上海201208摘

2、要:以A -甲基苯乙烯加氫系統(tǒng)為對象,研究滴流床的流體力學特征,在冷態(tài)條件下測定了滴流床內(nèi)壓降和持液量,得到壓降、動持液量與氣速和液速的關系式。結果表明壓降梯度受氣速影響較液速大,動持液量受液速影響較氣速大。氣速增加,床層壓降增大,動持液量減小;靜持液量只與體系的物性、填料物性、裝填方式等有關,與反應條件無關。另外,在零氣速條件下,用KOH 作為示蹤劑,采用脈沖注入法,研究了滴流床的停留時間分布,得到床層的Peclet 準數(shù)與液速的關系,Peclet 準數(shù)隨著液速的增加按指數(shù)級增加。關鍵詞:滴流床;A -甲基苯乙烯加氫;壓降;持液量;Peclet 準數(shù)中圖分類號:T Q 021.1文獻標識碼:

3、APressure Drop and Liquid Holdup in Trickle BedQI Guo -z hen 1,X I E Zai -ku 2,ZH ON G S i -qing 2,ZH A N G Cheng -f ang 1,CH E N Qing -ling 2(1.School of Chemical E ngineering ,E ast China Univer sity o f Science and T echnology ,Shanghai 200237,China ;2.SI N OP EC S hanghai Research I nstitute of

4、P etr ochemical Technology ,S hanghai 201208,China Abstract :The hydrodynam ics characteristics o f trickle bed reactor w as studied using A -m ethylstyrene hydr ogenation system as mediums.The pressure drop and liquid holdup w ere observed and determined in co ol condition.Subsequently ,the equatio

5、ns of pressure drop and liquid holdup w ith the g as and liquid velocity w ere obtained.Gas velocity plays mo re important role than liquid velocity fo r pressure dro p,but the dynam ic liquid holdup is influenced by liquid velocity mor e r em ar kably .The pressur e drop increases and dynamic liqui

6、d ho ldup decreases w ith increasing gas velocity.Static liquid holdup is o nly related to the physical pro perties such as sy stem and packing,packing metho ds,and has nothing to do with the operat-ing conditions .In additio n ,the residence tim e distribution o f trickle bed w as studied using w a

7、ter as liquid phase ,KOH as tracer w ith a m ethod of im pulse input under no g as added conditio n .The relation of Peclet num ber and liquid velocity is o btained.Peclet number show s an ex po nential g row th w ith the liquid v elo city rising.Key words :trickle bed ;A-methylstyrene ;pr essure dr

8、op ;liquid holdup ;Peclet number 滴流床反應器(Trickle bed reactor 是應用最廣泛的三相反應器之一,廣泛應用在催化加氫脫硫、催化加氫裂化、催化加氫精制、A -甲基苯乙烯的加氫等多個方面。人們對滴流床反應器內(nèi)流體流動行為進行過大量的研究,如流區(qū)分布、流型轉化、持液量及壓降等,國內(nèi)外對此均有過許多報道110。預測不同流動狀態(tài)下的床層壓降和持液量是滴流床反應器設計的基本問題之一,壓降的大小直接關系到泵的選型和反應器的動力消耗,持液量是表征滴流床中傳遞特性20的基本流動參數(shù),它的大小直接影響催化劑的潤濕效率,從而影響反應器的性能。有關這兩個參數(shù)的計算多

9、采用擴展的Ergun方程式14,其中,典型的是槽道模型1及其修正版本2。Anter等5研究了滴流床反應器的動持液量測定問題,發(fā)現(xiàn)增加液體流率,動持液量增加,氣體流率增加時,結果相反;粘度的增加對動持液量的影響不大;動持液量隨填料空隙率的增大而變小。A-甲基苯乙烯加氫制異丙苯采用的反應器主要為滴流床反應器,一般采用的催化劑是Pd/C-Al2O3。以往研究者們研究滴流床的流體力學都是用空氣、水等作為研究體系,與真正的反應體系都存在一定的誤差,而以A-甲基苯乙烯加氫制異丙苯系統(tǒng)為研究體系的,還尚屬空白。本文直接采用A-甲基苯乙烯工業(yè)原料和氫氣為研究體系,考察滴流床的流體力學特征。本文用玻璃管制滴流床

10、(Á20m m×400mm在常溫常壓下研究其流體力學特征,包括壓降、持液量等,體系采用工業(yè)原料(A-甲基苯乙烯+異丙苯和氫氣分別作為液相和氣相。另外,以水為液相,零氣速條件下,KOH作為示蹤劑,用脈沖注入法,研究了滴流床的停留時間分布。1實驗部分圖1為滴流床流體力學實驗裝置圖。滴流床內(nèi)裝填76gÁ2m m的球形C-Al2O3填料,床層孔隙率為0.4,工業(yè)原料(A-甲基苯乙烯+異丙苯和氫氣混合后,以并流方式從滴流床頂部進入,氣液流速通過轉子流量計讀出,壓降由U型水壓差計直接讀出。工業(yè)原料所需的物性數(shù)據(jù)如下:密度0.8619g/ mL,粘度0.791mPas,表面張力

11、28mN/m。動持液量測量方法:將氣體和料液流量調整到規(guī)定值,待流動穩(wěn)定后,同時關閉反應器的進、出口閥門,開始用量筒收集從管內(nèi)流出的液體,收集時間為30m in,將量筒中收集到的料液體積除以床層體積即為顆粒表面動持液量。靜持液量測量方法:實驗前首先稱量干燥冷模管的質量(填料+玻璃管,當測量完動持液量后,將裝置從設備架上卸下來,稱重,求得兩質量之差,除以填料裝填量即是靜持液量。2實驗結果與討論2. 1壓降在固定液速條件下,改變氣速,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,記錄壓差計上顯示的壓降值。然后再改變固定液體流速,重復操作,測得多組壓降值。將測得的壓降關聯(lián)為無因次,將氣液流速關聯(lián)為氣體雷諾數(shù)和液體雷諾數(shù)。圖1滴流床

12、流體力學實驗裝置圖Fig.1T rickle bed ex perim enta l installatio n fo rhy dr odynamics inv est iga tio n1Feed pipe;2Feed pum p;3Hyd rogen;4Oper ationg floor; 5Buffer bottle;6Rotameter;7M ix er;8Distrib utor;9Press ure drop indicator;10T rickle bed;11Valve;12Liquid collector如圖2和圖3所示,壓降梯度$p/$Z受氣速影響較液速大得多。隨著氣速增加

13、,氣體在顆粒外表面的曳引力作用下,破壞了填料顆粒間的“液橋”或沖散了顆粒間的“液囊”,引起液體沿反應器截面鋪展,增加了氣體通過時的阻力,從而使床層的壓降梯度明顯增大。而液速對壓降梯度的影響較弱,基本上呈線性緩慢增加,這是因為氣速一定,液體進料量增加,引起顆粒潤濕面積增加,液膜變厚,減小了床層的孔隙率,增大了氣體通過時的阻力,從而使床層壓降梯度增加,但液膜厚度是很薄的,增加的幅度很小,因而對壓降的影響也小。圖2壓降梯度與R e L的關系F ig.2Relatio ns o f pr essur e dr op g radient and Re LR e G:4.412;27.67;"4

14、6.12;×69.17;+76.86利用最小二乘法對若干組實驗數(shù)據(jù)進行回歸,21第1期齊國禎,等:滴流床的壓降和持液量 圖3壓降梯度與Re G 的關系Fig.3Relations of pressure dro p g r adient a nd Re GRe L :54.5;43.6;32.7;21.8;14.5;"7.3;×3.6得到壓降梯度與氣速、液速的關系如下:$p /$ZQ l g= 4.38×105Re 0.78G Re 0.29L相關系數(shù)為0.89,有些偏低,這主要是因為測量過程中,壓降變化幅度大,系統(tǒng)難以穩(wěn)定,致使在讀數(shù)時會產(chǎn)生一定的偏差

15、。2.2持液量2.2.1動持液量從圖4可看出氣速對動持液量h d 影響。隨著氣速的增加,動持液量減小,在高液速時,下降幅度大,而在低液速時,變化緩和。這是由于氣速的增加,使氣體在催化劑顆粒表面產(chǎn)生的曳引力增加,曳引力使液體離開固體表面,隨氣流迅速通過床層,引起床層內(nèi)動持液量減小,高液速時,由于液相占的比例較低液速時大,這種曳引力作用就較 為明顯。圖4動持液量與Re G 的關系Fig.4Relations of dynamic liquid ho ldup and Re GRe L :54.5;43.6;32.7;×21.8;14.5;"7.3;+3.6;*0.08從圖5可看

16、出液速對動持液量的影響。隨著液速的增加,使得床層中液體的滯留量增加,即動持液 量增加。液速對動持液量的影響較氣速大。圖5動持液量與R e L 的關系F ig .5Relatio ns o f dy namic liquid holdup and R e LR e G :1.153;4.612;×9.223;36.89;ý93.23;138.35;*230.58利用最小二乘法對若干組實驗數(shù)據(jù)進行回歸,得到動持液量與氣速、液速的關系如下:h d =0.0253R e -0.07544GR e 0.57716L相關系數(shù)為0.96,線性化關系良好。2.2.2靜持液量按照上面所說的測

17、定方法,在不同的氣液流速下測得多次靜持液量h c 值,見表1。從表1可以看出,不同氣液速度下h c 值都相差不多,說明靜持液量與反應條件是無關的,只和所用體系的物性、填料物性、裝填方式等有關,即在一種實驗條件下,靜持液量通常是一個值,這與文獻報道是一致的。靜持液量也可從某些經(jīng)驗關聯(lián)圖上直接估算出,如Sw aaij 等11所作的靜持液量與EO ¨準數(shù)的關聯(lián)圖。按照本文所用體系計算出EO ¨準數(shù)為11.83,本文所用填料屬于孔較為密實的填料,查圖得到靜持液量值介于有孔填料和無孔填料之間,與實驗值比較,結果相近。表1靜持液量測定值Table 1Static liquid ho l

18、dup measurementsR e G R e L h cR e GR e L h c 1.1554.50.103069.17 3.60.10364.6143.60.105492.2332.70.10329.2232.70.1038152.1832.70.103218.4421.80.1030230.5832.70.103836.8914.50.103836.8932.70.102455.337.30.103092.2332.70.10302.3滴流床內(nèi)的停留時間分布實驗在冷模管中研究了滴流床反應器的停留時間分布,液相是水,在零氣速條件下,用KOH 作為示蹤劑,DDS -11A 電導率儀測

19、定溶液電導率,采用脈沖注入法,在不同的液速條件下,測得了平均停留時間,根據(jù)得到的響應曲線計算出Peclet 準數(shù),并關聯(lián)了Re L 數(shù)。22華東理工大學學報(自然科學版第32卷從圖6可看出,隨著液速的增加,Pe 準數(shù)在低液速時增加較緩,到高液速時增加很快,基本上是按指數(shù)關系增加,這說明當液速高到一定程度時,反應器內(nèi)返混的影響變的很小,工業(yè)用滴流床反應器內(nèi)液速一般比實驗室的要大一個數(shù)量級,那時就可以按活塞流來處理?？蓪n Pe 與Ln R e L 擬合成直線關系,擬合結果為:P e =46.017Re 2.156L相關系數(shù)為0.988, 線性化關系良好。圖6P e 與Re L 的關系F ig.

20、6R elat ions of P e a nd Re L圖7平均停留時間與液速的關系F ig.7Relatio ns o f mean residence time and liquid velocity從圖7可看出,隨著液速的增加,平均停留時間起初下降很快,到一定液速時,趨于平緩。一是因為線速度小時,通過床層所需時間長,還因為在低液速時,床層沒有達到完全潤濕,部分液體需通過擴散和毛細管力的作用潤濕顆粒的外表面和內(nèi)表面,使得向下流動的量減少,停留時間長。但隨著液速的增加,床層潤濕率增加直到完全潤濕,床層的持液量,特別是靜持液量,趨于一定,床層通道順暢,通過床層的時間短且變化小。將ln t 與

21、ln u L 擬合成直線關系,擬合結果為:t =16.40u -1.03L相關系數(shù)為0.9985,線性化關系良好。3結論(1以A -甲基苯乙烯(w =0.2548+異丙苯為液相、H 2(純度為99.99%為氣相,Á2mm 球形C -Al 2O 3為填料,在滴流床中研究了壓降梯度和動持液量隨氣速、液速的變化情況,將氣速、液速關聯(lián)為雷諾數(shù),得到壓降梯度與氣速、液速的關系如下:$p /$Z Ql g = 4.38×105Re 0.78G Re 0.29L相關系數(shù)為0.89。得到動持液量與氣速、液速的關系如下:h d =0.0253R e -0.07544GR e 0.57716L

22、相關系數(shù)為0.96。(2以水為液相,零氣速條件下,用KOH 作為示蹤劑,采用脈沖注入法,研究了滴流床的停留時間分布,得到床層的Peclet 準數(shù)與液速的關系如下:Pe =46.017Re 2.156L相關系數(shù)為0.988。得到平均停留時間與液速的關系如下:t =16.40u -1.03L相關系數(shù)為0.9985。(3在冷態(tài)條件下,對A -甲基苯乙烯加氫制異丙苯體系中滴流床反應器的流體力學進行了研究,體系采用的是A -甲基苯乙烯工業(yè)原料和氫氣,得到了床層壓降、持液量與氣、液流速的關系式,為后面的滴流床反應器設計提供了必要的數(shù)據(jù)。符號說明:u L 液速,cm /s t 平均停留時間,s Da 軸向擴

23、散系數(shù),cm 2/s E O ¨E O ¨準數(shù),E O ¨=Q 1g d 2p R l$p /$Z 壓降梯度,Pa/m h d 動持液量h c 靜持液量Q 1液相密度,g /mL g 重力加速度,m/s 2d P 顆粒直徑,m G a Galileo 準數(shù),Ga =d 3P g Q 2L L 2LR e L 液體雷諾數(shù),R e L =d P L Q L L L R e G 氣體雷諾數(shù),Re G =d P L g Q g L gP e Peclet 準數(shù),P e =L L d P DaR l 液體表面張力,mN/m(下轉第46頁23第1期齊國禎,等:滴流床的壓降和持

24、液量其對內(nèi)皮細胞的抑制活性,發(fā)現(xiàn)3A蛋白對內(nèi)皮細胞的IC50為1.99L g/mL 。(a3A protein group(bC ontrol g rou p圖6顯微鏡下的細胞形態(tài)F ig.6M icr oscopic pho to gr aph o f the cell據(jù)文獻報道6,血管抑素的IC50為10L g/mL,內(nèi)皮抑素IC50為8.6L g/m L,而3A蛋白抑制內(nèi)皮細胞增殖的能力是血管抑素的5倍,內(nèi)皮細胞的4倍,因此具有明顯的優(yōu)勢。3結論對基因工程大腸桿菌經(jīng)高密度培養(yǎng)后得3A包涵體,經(jīng)過超聲洗滌、離心、尿素溶解,離心所得上清液中蛋白濃度為330mg/mL,電泳掃描可得其中3A 的

25、含量為42%,經(jīng)過柱復性,可得到純度為81.27%,收率為78.95%的3A蛋白,經(jīng)過離子交換后可得到純度為92.52%,收率為67.72%的3A蛋白,總收率為53.47%,其IC50為1.99L g/m L。盡管血管抑素有很強的抗腫瘤作用,但要達到治療效果,需大劑量長期持續(xù)使用,才能抑制血管內(nèi)皮細胞增生,從而使腫瘤處于“休眠狀態(tài)”。但是,由于生產(chǎn)成本較高,目前還不能夠大規(guī)模生產(chǎn)。因此,有關產(chǎn)業(yè)化研究具有重要價值。參考文獻:1O'Reilly M S,Boehm T,S hing Y,e t al.Endostatin:A n en-dogenous inhib itor of ang

26、iognesis and tumor grow thJ.Cell, 1997,88(2:277.2竇德獻.抗內(nèi)皮細胞生長工程蛋白P.CN:1336382,2002.3司徒鎮(zhèn)強,吳軍正.細胞培養(yǎng)M.西安:世界圖書出版公司,1996.4T su moto K,Ejim a D,Ku magai I,et al.Practical cons idera-tions in refolding from inclusion bodiesJ.Protein Ex pres s and Purification,2003,28:1-8.5Arakaw a T,T su moto K.Th e effects

27、 of ar ginine on refoldingof agg regated proteins:Not facilitate r efolding,but sup pres s aggregationJ.Biochem ical and Bioph ysical Resear ch Com-mu nication s,2003,304:148-152.6S ukhatme V P,Ramakris hnan S.S ynergy betw een angios tatinand endostatin:Inh ibition of qvarian cancer grow thJ.Can-ce

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