第八章__塔式反應(yīng)器

1、1第八章第八章 塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器8.1概述概述 8.1.1塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用 8.1.2附屬裝置附屬裝置8.2填料塔填料塔 8.2.1物理吸收物理吸收 8.2.2化學(xué)吸收化學(xué)吸收8.3鼓泡塔鼓泡塔 8.3.1鼓泡塔操作狀態(tài)鼓泡塔操作狀態(tài) 8.3.2鼓泡塔流體力學(xué)鼓泡塔流體力學(xué) 28.1.1塔式反應(yīng)器特點塔式反應(yīng)器特點*及應(yīng)用及應(yīng)用 1.1.填料塔填料塔 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕 ，軸向返混可忽略 ，能獲得較大的液相轉(zhuǎn)化率，氣相流動壓降小，降低了操作費(fèi)用.(塔內(nèi)流動模型接近活塞流) 缺點：液體在填料床層中停留時間短，不能滿足慢反應(yīng)的要求，且存在壁流和液體分布不均等問題 ，

2、其生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力低于板式塔低于板式塔. . 應(yīng)用：適用于快速和瞬間反應(yīng)過程，特別適宜于低壓和介質(zhì)具腐蝕性的操作。 填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蝕性強(qiáng)及強(qiáng)度和潤濕等性能優(yōu)良。 常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍等，材質(zhì)有陶瓷、不銹鋼、石墨和塑料。38.1.1塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用 2.2.板式塔板式塔 優(yōu)點：逐板操作 ；軸向返混降到最低，并可采用最小的液流速率進(jìn)行操作，從而獲得極高的液相轉(zhuǎn)化率 ；氣液劇烈接觸，氣液相界面?zhèn)髻|(zhì)和傳熱系數(shù)大 ；板間可設(shè)置傳熱構(gòu)件，以移出和移入熱量 。 缺點：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣相流動壓降大，且塔板需用耐腐蝕性材料制作 應(yīng)用：適用于快速和中速的

3、傳質(zhì)過程控制的化學(xué)反應(yīng)過程，大多用于加壓操作過程 。48.1.1塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用 3.3.噴霧塔噴霧塔 噴霧塔是氣膜控制的反應(yīng)系統(tǒng)，適于瞬間反應(yīng)過程。塔內(nèi)中空，特別適用于有污泥、沉淀和生成固體產(chǎn)物的體系。但儲液量低，液相傳質(zhì)系數(shù)小，且霧滴在氣流中的浮動和氣流溝流存在，氣液兩相返混嚴(yán)重。 . .鼓泡塔鼓泡塔 儲液量大，適于速度慢和熱效應(yīng)大的反應(yīng)。液相軸向返混嚴(yán)重，連續(xù)操作型反應(yīng)速率明顯下降。在單一反應(yīng)器中，很難達(dá)到高的液相轉(zhuǎn)化率，因此常用多級彭泡塔串聯(lián)或采用間歇操作方式 58.1.28.1.2附屬裝置附屬裝置 . .液體噴淋裝置液體噴淋裝置 噴淋裝置有單管噴灑、蓮蓬式噴灑

4、、多孔管噴灑、盤式噴灑等多種型式 單管噴灑和蓮蓬式噴灑適用于直徑小于0.6m的塔 對于大型塔，宜采用多孔管噴淋和肋式噴灑 盤式噴酒裝置的篩孔上保持50 200mm高的液層 簡單直管型 環(huán)管型 并列多管型 樹枝型 圖8-1多孔管分布器示意圖68.1.28.1.2附屬裝置附屬裝置 2.2.液體再分布裝置液體再分布裝置 為了改善塔的操作，減輕液體下流時逐漸增大的壁流現(xiàn)象，每隔一定距離設(shè)置一個液體再分布裝置，可為倒錐形、波浪形和帶升氣管的篩孔再分布器，既起支承用，又起再分布作用 3.3.氣體入口的布?xì)饨Y(jié)構(gòu)氣體入口的布?xì)饨Y(jié)構(gòu) 當(dāng)塔徑小于0.5m時，將進(jìn)氣管做成向下450的切口，以免氣體直接沖刷填料層。對

5、大塔，氣體人塔向下方做成喇叭形擴(kuò)口或多孔管氣體分布器。 4.4.除沫器除沫器 可采用折流板，絲網(wǎng)除霧器 78.1.28.1.2附屬裝置附屬裝置 5.5.消泡和防旋板消泡和防旋板 在低液位處，由于液體流向排液口會引起旋渦，使部分氣體被液體夾帶而出，此情形在高壓操作和使用易起泡液體時更嚴(yán)重，因此在液位處設(shè)置十字形豎向擋板，以分割液位部分空間，防止液體旋渦流動，有利于泡沫浮升破碎和減小液體對氣體的夾帶。 6.6.支承板支承板 置于器底，強(qiáng)度應(yīng)能支承填料的質(zhì)量，其自由截面不小于填料的孔隙率，可用柵形、波浪形、升氣管式。柵條間距為填料外徑的0.60.8，要防止局部阻力過大和液泛 88.28.2填料塔填料

6、塔 填料塔廣泛應(yīng)用于物理吸收和化學(xué)吸收物理吸收和化學(xué)吸收過程中。由于填料層高H比填料直徑大得多，因此，填料的作用除增加相界面積增加相界面積外，還能減少軸向混合減少軸向混合。填料塔氣相和液相的皮克利特數(shù)PeG、PeL往往大于100,可以假設(shè)填料塔中氣相、液相均為理想置換理想置換流型。化學(xué)吸收采用的填料塔在結(jié)構(gòu)上和一般吸收塔相同，塔徑D的計算也基本相同 98.2.1物理吸收物理吸收 為了計算填料高度，必須把傳質(zhì)速度方程式和物料平衡方程式聯(lián)立求解。 計算的空間基準(zhǔn)空間基準(zhǔn)為單位塔截面，高為dH的微元體積（dVRdH），其中相界面積為adH； 由于穩(wěn)定操作，時間時間基準(zhǔn)基準(zhǔn)可以任意取 8-2填料塔微元

7、體積物料平衡圖 10dHCCakdHppakLdXGdYALAiALAiAAGALA)()(dHCCakdHppakALAALAAAG)()(*22)()()(=)(=AtAAAAtUUAAUUAAppdppdpppGpdppdppGppGdGdY)()()()()()(222AtAAttAtAtAtAttUAtAtppdpGpppdppppGppdppppGppdppG同理ALTALALTALTALCCdCLCCdCGLLdX2)(tUppGG=TUCCLL=11 式中 -液相中惰性組分濃度，kmolm-3； p-惰性氣體分壓，Pa； A-氣相中A物質(zhì)的量氣相中惰性氣體物質(zhì)的量，YAPA/P

8、U； XAL-液相中物質(zhì)的量液相中惰性組分物質(zhì)的量，XALCAL/CU； -單位塔截面上氣相中惰性組分流量,kmolm-2s-1； 單位塔截面上液相中惰性組分流量, kmolm-2s-1； G-單位塔載面上氣相總流量，kmolm-2s-1； -單位塔截面上液相總流量，kmolm-2s-1； -總壓，ptPAPU，Pa； CT-液相總濃度，CTCALCU，kmolm-3。1221)()(20AAppAiAAtAGAtHppppakdpGpdHH21)()(*2AAppAAAtAGAtppppaKdpGp21)(*AAppAAAtAGAppppaKdpG212)-()-(ALALALAiALTAL

9、ALCCCCCCakdCTLC21)-()-(*2ALALCCALAALTALALTCCCCaKdCLC21)(*ALALCCALAALTALALCCCCaKdCL對于稀溶液,LL,GG,pt-PAPt,CT-CALCT。填料層高H為2121*ALALAACCALAALALTppAAAAGTCCdCaKCLppdpaKpGH138.2.28.2.2化學(xué)吸收化學(xué)吸收* * 反應(yīng)式為 A（氣）+B（液）產(chǎn)品。 采用逆流穩(wěn)定操作。物料平衡的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)與物理吸收相同 當(dāng)反應(yīng)局限于液膜內(nèi)時，也就是對于極快反應(yīng)和快反應(yīng)時。圖8-3逆流填料塔物料平衡圖氣 相 中 失 去 組 分A 的 物 質(zhì) 的 量

10、=b1液 相 中 失 去 組 分B的 物 質(zhì) 的 量液 相 中 反 應(yīng) 掉的 A的 物 質(zhì) 的 量=14 式中 -宏觀反應(yīng)速度。 塔內(nèi)任一截面處的成分可由上式積分求得adHrbLdXGdYABAAr)()()()(211111BBUBUAUABBAACCCCbLppppGXXbLYYG填料高為2!21212)(BBAAAAXXABppAAtAtYYAAardXbLarppdpGpardYGH15 當(dāng)處理稀溶液時，ptPU，CTCU，可得到微分物料平衡方程 對塔內(nèi)任一截面的組分可按上式積分求得 在處理稀溶液時，填料塔填料高H為BTAtdCbCLdppG)()(11BBTAAtCCbCLpppG2

11、121BBAACCABTppAAtardCbCLardppGH16 例8-1 例8-2178.3鼓泡塔鼓泡塔 鼓泡塔是一種常用的氣液接觸反應(yīng)設(shè)備，各種有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)都采用鼓泡塔。在鼓泡塔中，一般不要求對液相作劇烈攪拌，蒸汽以氣泡狀吹過液體而造成的混合已足夠。 鼓泡塔的優(yōu)點是氣相高度分散在液相中，因此有大的持液量和相際接觸表面，使傳質(zhì)和傳熱的效率較高，它適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)和強(qiáng)放熱情況。同時反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定、投資和維修費(fèi)用低、液體滯留量大，因而反應(yīng)時間長。但液相有較大返混，當(dāng)高徑比大時，氣泡合并速度增加，使相際接觸面積減小。18鼓泡塔的分類 按結(jié)構(gòu)特征，鼓泡塔可分為空心式、多段式、氣

12、提式三種 圖8-4鼓泡塔示意圖19 空心式鼓泡塔最適用于反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行的緩慢化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，或伴有大量熱效應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)。 當(dāng)熱效應(yīng)較大時，可在塔內(nèi)或塔外裝置熱交換單元，使之變?yōu)榫哂袩峤粨Q單元的鼓泡塔。 為避免塔中的液相返混，當(dāng)高徑比較大時，常采用多段式塔借以保證反應(yīng)效果。 為適應(yīng)氣液通量大的要求或減小氣泡凝聚以適用于高粘性液體，使氣體提升式鼓泡反應(yīng)器得到應(yīng)用，它具有均勻的徑向氣液流動速度，軸向分散系數(shù)較低、傳熱系數(shù)較大、液體循環(huán)速度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。 208.3.18.3.1鼓泡塔操作狀態(tài)鼓泡塔操作狀態(tài) 鼓泡塔的流動狀態(tài)可分為三個區(qū)域： (1)(1)安靜鼓泡區(qū)安靜鼓泡區(qū) 在該區(qū)域內(nèi)表觀氣速低于

13、0.05 ms-1，氣泡呈現(xiàn)分散狀態(tài)，大小均勻，進(jìn)行有秩序的鼓泡，液體攪動微弱，可稱為視均相流動區(qū)域視均相流動區(qū)域。 (2)(2)湍流鼓泡區(qū)湍流鼓泡區(qū) 該區(qū)域表觀氣速較高，塔內(nèi)氣液劇烈無定向攪動，呈現(xiàn)極大的液相返混。部分氣泡凝聚成大氣泡，氣體以大氣泡和小氣泡兩種形態(tài)與液體接觸，大氣泡上升速度較快，停留時間較短，小氣泡上升速度較慢，停留時間較長，因此，形成不均勻接觸的流動狀態(tài)，稱為劇劇烈擾動的湍流鼓泡區(qū)烈擾動的湍流鼓泡區(qū)，或稱為不均勻湍流鼓泡區(qū)不均勻湍流鼓泡區(qū)。 （3 3）栓塞氣泡流動區(qū)）栓塞氣泡流動區(qū) 在d0.15m的小直徑氣泡塔中，在較高表觀氣速下，由于大氣泡直徑被器壁所限制，而出現(xiàn)了栓塞氣

14、泡流動狀態(tài)。218.3.28.3.2鼓泡塔流體力學(xué)鼓泡塔流體力學(xué) 在氣液鼓泡塔中，由于傳遞性能的優(yōu)劣決定于氣泡運(yùn)動的狀況，因此，需要了解氣泡的大小、氣泡生長及運(yùn)動的規(guī)律，以了解液相內(nèi)的氣含量及氣液相界面狀況，從而掌握氣液相間白的傳質(zhì)、傳熱和因氣泡運(yùn)動引起的液相縱向返混問題。 氣體在液體中的溶解速率和其分散程度有關(guān)，分散程度愈高，溶解速度愈大。分散程度可用氣泡的平均直徑、氣體的滯留量或比表面表示。221.1.單孔氣泡的形成及浮升單孔氣泡的形成及浮升 氣泡的大小取決于氣體通過孔的流率、孔徑d。大小、流體的性質(zhì)等，而氣泡浮升速度又和氣泡直徑dB及流體物性等因素有關(guān)。 (1)氣泡直徑氣泡直徑dB 按孔

15、口雷諾數(shù)Reo大小可分為三個區(qū)域 孔口雷諾數(shù) ，孔徑 式中uG-氣體在塔中上升速度，s-1； G、-氣體、液體密度，kgm-3； -表面張力，Nm-3； G-氣體粘度，PaS。GGGud00=Re)(6=0GLgd23 低氣速區(qū)域低氣速區(qū)域 Reo400，氣泡直徑dB由氣泡所受浮力等于孔周邊對氣泡附著力求得。 氣泡直徑 氣泡無合并及分裂，設(shè)為球形，按原樣上升 中等流速區(qū)域中等流速區(qū)域 400Re05000，氣泡以連珠泡狀向上均勻運(yùn)動，但直徑dB增大。 對空氣一水系統(tǒng) 高氣速區(qū)域高氣速區(qū)域4000Re0 ，氣泡平均直徑隨Re0增加而下降，系因大氣泡本身不穩(wěn)定而破碎為許多小氣泡所致。310)(82

16、. 1GLBdd310210Re0287. 0=ddB24（2）氣泡浮升速度）氣泡浮升速度ut 氣泡所受浮力與阻力相等，氣泡作穩(wěn)定狀上升，上升速度隨氣泡直徑變化。 當(dāng)當(dāng)dB0.7 mm時時 式中液體粘度，Pa s 。 當(dāng)當(dāng)1.4 mmdB6 mm時時 式中V -氣泡體積當(dāng)量直徑，m。 當(dāng)當(dāng)dB8mm時時LgduGLBt18)-(22/1)2(35. 1=Lvtdu2/1)(67. 0=ctgru2/1)2(02. 1=vtdgu式中-笠帽形氣泡的曲率半徑，m。25對低粘度液體，氣泡上升速度2/1)2+2(=vvtgdLdu工業(yè)氣泡塔內(nèi)，氣泡上升速度多處于后兩種區(qū)域內(nèi)。262流體力學(xué)特征流體力學(xué)

17、特征 （1）氣泡大小及其徑向分布）氣泡大小及其徑向分布 對塔徑不超過對塔徑不超過0.6m的氣泡塔的氣泡塔 計算氣泡群平均氣泡大小dvs的Akita準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 式中 dvs-大小不等的氣泡的比表面積當(dāng)量平均直徑，； rL-液體運(yùn)動粘度， 。 12. 012. 0235 . 02)()()(26=gDurgDgDDdOGLLvs27 當(dāng)當(dāng)4000Re07000時時 當(dāng)當(dāng)10000Reo50000時時，對空氣-水系統(tǒng)，當(dāng)孔徑do0.41.6 mm時 dvs0.0071Reo-0.05 用水的平均氣泡大小dvs,w對其他物料進(jìn)行換算的換算式 塔內(nèi)氣泡大小沿塔的徑向氣泡直徑分布塔內(nèi)氣泡大小沿塔的徑向氣泡

18、直徑分布 對空氣-水系統(tǒng)描述氣泡直徑沿徑向變化的Falkov式4/1204 . 00)(Re100gdDdGLvs24. 05 . 026. 0,)()()(=wLwLwwvsvsrrdDd410)2 . 59(RrdB28（2 2）氣泡群的浮升速度）氣泡群的浮升速度 久保田式 Yamafita式 對空氣一水 Kumar式)(0167. 0180. 216. 22)1 (73. 027. 0GGBgdGtBuu3/133)12+(1 . 1=DDuuOGB324/1200008. 0+0045. 0+116. 0+4 . 1=)(OGOGOGLGBuuuu29（3）氣含量）氣含量 氣含量是指塔

19、內(nèi)氣液混合物中，氣體所占的平均體積分率，即是氣體在分散系統(tǒng)中的體積分?jǐn)?shù)。影響氣含量的因素有液體的表面張力、粘度和密度等，當(dāng)氣體空塔速度增加時，氣含量隨之增加。對一定物系，當(dāng)空塔氣速uOG達(dá)到某一定值時，由于氣泡的匯合，反使含氣量G下降 對于塔徑大于15cm的氣泡塔，Yoshida-Akita的氣含量關(guān)聯(lián)式為 對于直徑小于0.15m的氣泡塔，采用Hughmark圖確定氣含量值 )()()()1 (2/112/1228/124DgugDgDCOGLLLGG30圖8-5氣含量關(guān)系圖31 對于粘度小于0.2Pas的低粘性和氣泡易于合并的液體，可采用關(guān)聯(lián)式 對于氣泡不合并的液體，如某些表面活性劑溶液和高

20、粘性非牛頓型液體，其氣含量需在塔徑大于0.15m的實驗塔中測定，以得到可靠的數(shù)值 氣含量沿半徑的變化可用下式表示107. 0062. 0131. 034578. 0)()()()(672. 0=LGLGLLLOGGguuuGGRr)(1 2232（4 4）比表面）比表面 比表面為單位體積分散系統(tǒng)中的相際表面積，鼓泡塔比表面a可由氣含量和氣泡直徑確定，其計算式為 在不同氣速范圍內(nèi)，已知氣含量和氣泡大小，即可求得比表面。 式中0-靜液層高度； 液體模數(shù)。 此式適用于uOG0.6 ms-1。 ，5.7105K1011的條件，誤差范圍在15%以內(nèi)。vsGda6=GKDHa003. 03 . 00)(26. 0=43=LLgK242 . 20DH33 例8-3塔徑為0.5m的空心氣泡他，空氣-水系統(tǒng)，空氣加入量為52Nm3h-1，試計算平均氣泡直徑、氣含量和比表面。 348.3.3鼓泡塔的軸向混合鼓泡塔