浆态床反应器中的传递过程课件

浆态床反应器中的传递过程 浆态床反应器中的传递过程 在气-液-固三相反应的宏观反应过程含气-液间传质及液 -固间传质过程。 基于相界面积的气相传质分系数 和液相传质分系数 以 及气-液传质面积即淤浆中的气泡比表面积 a，都与三相的性质 、流体流动状况、压力和温度等因素有关。 但是，三相鼓泡淤浆反应器中，绝大部分反应气体在惰性 液相介质中的溶解度很小，所以气相传质系数 可以忽略。 对液固传质过程，若不计入过程中固相颗粒的磨损，单位 淤浆容积中固相的体积和外表面积 是固定的，一般只讨论 液-固传质系数是 。 从而以容积气-液传质系数 来衡量三相鼓泡淤浆反应器 的传质能力，液相容积传质系数 是本章讨论的主要内容 气液界面的气相容积传质系数 Sada等在浆态鼓泡床的电解质浆液中研究了气相体 积传质系数 (其中 为 )并给出了经验关 系式: ：m/s 是表观气速 ：是气相容积传质系数，mol/MPam3(不含气相的淤浆体积)S 实验表明:浆态鼓泡床中的 值与Botton等早已报道的 无固体气液鼓泡床的数值一致。Botton以及Mashelkar 和 Sharma测定了 ,得出 与表观气速 的3/4次方成正比 。 关联式一 Koide等在直径DR为lO20cm的淤浆床鼓泡反 应器中，研究湍流鼓泡区气含率，也研究了 ,实验在常温 及常压下进行，气体介质为空气，用溶氧法测定。溶氧在液 体介质中的扩散系数DLl09为0.142.4m2s。研究所得湍 流鼓泡区的 关联式如下： 式中： 为单颗粒在静止液体介质中的终端速度，m/s 对于细颗粒催化剂，处于Rep2的斯托克斯区 气液界面的液相容积传质系数气液界面的液相容积传质系数 关联式二 Hempel and Sauer总结出：在常温、常压下进行 ，液体介质为水，静止床层高度H0为1.2m，用溶氧仪测试值 随 气速增加而增大，随固含率增加而降低，可整理成下列关联式 为淤浆的动力粘 度，m2/s 为径向动量传递 系数，m2/s 对于3孔的烧结分布板，C=0.23110-4， n1=0.305，n2=0.0746, n3=0.0127； 对于1mm孔的多孔分布板，C=0.19710-4， n1=0.385，n2=0.0712，n3=0.0114。 气液界面的液相容积传质系数气液界面的液相容积传质系数 为液固两相淤浆中颗粒的平均密度，kg/m3 CS0为分布板上颗粒的平均密度，kg/m3 Bo(Bodenstein)准数 uts液固两相淤浆床中颗粒在颗粒群中的平均终端速度，m/s，又称受 阻终端速度，可按下式计算 Esz 颗粒轴向弥散系数，m2/s L0 静止床高度，m 气液界面的液相容积传质系数 气液界面的液相容积传质系数 关联式三 Yasunish等人提出： 当操作条件为： 气液界面的液相容积传质系数 关联式四 Sata等人提出： 当操作条件为： 关联式四 Sata等人提出： 当操作条件为： 气液界面的液相容积传质系数 关联式五 杨卫国等人提出： 当操作条件为： Ozturk and Schumpe提出： 气液界面的液相容积传质系数的测量 (1)物理法 物理法应用得较早 ,主要包括非稳态(动态)法和稳态法两种。 非稳态法是指让气体连续通过液相 ,使其与液相进行不稳态 的传质 ,同时记录液相中气体的浓度随时间变化的关系 ,从而得 到传质系数。传质系数的表达式为: 由于非稳态模型是建立在液相 为全混流的假设基础上的 ,所以 ,物 理法主要在相对较短并且具有较小 面积比的反应器上应用。 稳态法是指液相同时穿过反应器 ,与通入的气体进行稳态 传质 ,液相中被交换的气体浓度分别在反应器的进口和出口测 得。由此 ,可以算出气体在液相中的传质系数: 气液界面的液相容积传质系数的测量 (2)化学法 自20世纪 70 年代提出化学法测定传质系数以来，该方法 一直被认为是一种比较可靠的测量方法，并且得到了广泛的研 究和应用，该方法多用于气液或液固反应器中传质系数的测 定。Dankwert 等对其理论和实验做了大量的研究。目前，应 用较成熟的慢反应体系有用碱溶液吸收 CO2 同时解吸 O2 体系 以及用 Na2SO3 吸收空气中的O2 同时解吸 C2H4 体系等。在应 用化学法过程中，必须控制反应速度，既要使反应速度慢到在 液膜中没有明显的反应速度，又要快到足以使被吸收气体在液 相主体中的浓度为零。因此必须满足下面的条件: 气液界面的液相容积传质系数的测量 气液界面的液相容积传质系数的测量 传质系数计算式为: 用化学法测定传质系数可以保证在同一流体力学条 件下同时测定传质系数和相接触面积，但由于反应的存 在增加了传质速率，其测定的结果比物理法偏高。 影响液相体积传质系数的因素 在浆态鼓泡床气液传质过程中 ,液相体积传质系数起着决 定性的作用。影响液相传质系数的主要因素有:系统压力、温 度、 气体表观气速、 液体物性、 固体浓度及其物性等。 (1)系统压力 系统压力对气液传质系数的影响主要与压力对液体表面张 力和粘度的影响有关。一方面 ,系统压力的增大有利于小气泡 的生成 ,增加了气液两相接触面积; 同时根据旋涡模型,液相传 质分系数反比于液体粘度 ,而压力的增大能使液体粘度降低 ,从 而提高气液传质; 旋涡模型： 影响液相体积传质系数的因素 另一方面 ,压力增加可以使更多的气体溶液在液体中 ,导 致了液体表面张力下降 ,液体表面张力的下降会导致气泡上升 速度降低 ,延长气液接触时间。由渗透模型可知 ,气液传质分 系数 kL 与接触时间的平方根成反比 ,因此液体表面张力的降 低又将导致 kL 减小。基于上述的原因,压力对气液传质系数 的影响比较复杂,目前还没有一致的结论。 渗透模型： 影响液相体积传质系数的因素 (2)温度 温度能够改变气液体系的物性 ,同样也影响着传质系数。 温度上升将使液体的表面张力和液体粘度下降 ,从而导致 液相传质分系数 kL和相界面积上升;同时较高的温度有利于 气体的扩散,增大扩散系数,由于液相传质分系数kL 与气体的 扩散系数的平方根呈正比,液相传质分系数 kL 随温度升高而 增加。 另一方面 ,较高的温度能促使小气泡生成大气泡 ,在一定 程度上减小了相接触面积。两者相对而言 ,减小的程度相对于 增加的程度要小的多。 总之 ,文献报道中大多都认为:升高温度将有利于传量传 质 ,能够提高液相体积传质系数 kL。 影响液相体积传质系数的因素 (3)表观气速 表观气速是浆态鼓泡床反应器最重要的操作条件之一 ,它 对气液两相的质量传递有着非常重要的影响。 它的大小将直接决定着反应器内流型 ,影响相界面积和液 相传质分系数 kL。 实验表明:较高的气速能够提高气泡数量,增加气液两相的 接触面积。同时,较高的气速还使系统中的液膜变得更薄,提高 了液相传质分系数 kL。 Akita 与 Yoshida以及 Sada 等发现低气速及中气速时体 积传质系数随着气速的上升近似直线增大 ,而在高气速下 , kL 随着随气速变化较小。 影响液相体积传质系数的因素 (4)液体性质 液体性质同样是影响 kL的重要因素,特别是将同一溶质在 水体系与电解质溶液体系的kL相比较时, kL随 L 的上升而 下降。低粘度的液体中粘度的影响很小 ,但在高粘度非牛 顿型 液 体 中 粘 度 的 影 响 很 大。; zturk 和Schumpe报道 了液相体积传质系数随着表观粘度 的 增 加 而 下 降 , 并 得 到 了 关 联 式: 关于表面张力的影响 , Koide 等研究了液体性质对传质系数 的影响 ,他指出 ,表面张力的增加将降低 kL值。 影响液相体积传质系数的因素 另外 ,液相中的电解质或表面活性剂的存在也将大幅度地 影响传质行为。K ato 等由亚硫酸盐在电解质中的氧化所得的 kL值大于Koide以及 Y asunishi在非电解质液水溶液泥浆中获 得的 kL值。但在气泡合并受阻的电解质液泥浆体系中,液相体 积传质系数 kL与气含率 G的关系基本上与电解质浓度无关。 (5)固含率及固体颗粒性质 固体颗粒一般以反应物、 生成物或催化剂等形式出现。它 的出现使反应器内体系变得复杂 ,改变了反应器内的传质特性。 Michafl 和Reichert在乙烯的聚合反应中研究了固体颗粒对传 质系数影响 ,发现只有在聚氯乙烯颗粒体积分数超过 15 %的时 候 ,才会对乙烯的传质系数产生影响。后来在研究乙烯在 烃类浆液床中聚合时 ,发现固体浓度大于 20 %的时候体积传 质 系 数 也 没 有 增 长。 但是zturk 和Schumpe在低固含量和高固含量情况下 ,对氧 气在有机液体中的质量传递进行了研究。发现高密度的细小颗 粒在低浓度下也能够增加气液两相体积传质系数 kL, 这与 K ato、Kurten用亚硫酸盐氧化方法 ,研究玻璃球浆液中体积传质 系数所得的结论相一致。得到同样结论的还包括:Alper、 Gollakota and Guin和 Chang and Morsi等。 与此相反 , Deimling、 K arandikar以及杨伟国等则在他们 的文献中却报道了相反的结论。 由此可以看出 ,固体颗粒浓度对传质系数的影响比较复杂。 在不同的物系和操作条件下 , kL随着固体浓度的增加可能出现 增大、 减小和不变的情况。 影响液相体积传质系数的因素 固体颗粒的性质也对传质系数有一定的影响。 Schumpe 等在研究了氧气在含有聚丙烯颗粒的浆液中的传 质时发现 ,当在鼓泡床中加入润湿性差的颗粒时 ,气液体积传质 系数 kL下降。他认为这种影响不能用悬浮液粘度的影响来解 释 ,这种影响应归结为颗粒较差的润湿性。另外 ,当固体颗粒为 反应产物或催化剂时 ,传质系数 kL也会受到很大的影响。 目前 ,国内外关于这方面报道还比较少。Juan 和Badie的研 究表明:在催化剂浓度较低时 kL出现一个最大值 ,随着固含率 的增加 , kL减小。 影响液相体积传质系数的因素 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 目前，尽管对浆态鼓泡床传质特性的研究比较多，但由于 大多数是在常温常压条件下进行的，而工业生产过程则都是在 高温、高压中进行，这就使所得的结论很难应用于实际生产. 因此，有必要在接近工业状况下，对传质特性进行研究. 浆态鼓泡床反应器的设计和放大是影响反应器应用的主要因 素. 而在浆态鼓泡床的设计、 放大过程中，面临的主要问题是 很难确定反应器内相际间的传质规律. 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 实验装置及测量方法 实验装置如图1 所示.实验采 用动态物理吸收方法测量氧气在 水中的体积传质系数kLa. 实验所 用鼓泡塔为不锈钢塔，主要采用 两种塔体，塔内径分别为60 和 100 mm，高1350 mm. 气体分 布器为多孔板，开孔率为 1.78%. 反应器温度由导热油加 热套加热并由控温系统控制，系 统压力由压力调节器控制并调节 ，气体流 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 量由质量流量控制器控制. 原料气和尾气组成用气相色谱仪分析 . 实验所用气、液、固三相分别为空气、水、石英砂(rs=2630 kg/m3, dp145 mm). 实验条件为温度298473 K，气体压力 1.03.0 MPa，表观气速0.030.10 m/s，固含量0%20%(w). 实验前先用氮气排气法排出液体中的氧气并向反应器内充入一 定的压力，同时打开控温系统，将反应器逐渐升温至设定温度 ，然后向反应器内通入空气并调节气体流量. 在实验过程中，不 断用气相色谱对反应器的尾气进行定时采样分析，同时记录响 应时刻气体流量，进而通过求出液体中氧气浓度随时间变化的 关系可以得到传质系数. 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 实验数据处理 计算液相体积传质系数的方法主要有积分法、微分法和多 相线性拟合法. 本实验采用积分法计算液相体积传质系数 kLa. 首先用氮气对反应器进行吹扫，使液体中的氧气浓度降为0. 然 后向反应器充入一定压力的氮气，同时开始加热反应器. 当反 应器温度和压力达到操作条件时，在 t0=0 时刻通入一定摩尔 流率NG(t0)的空气. 经相等的时间间隔后，用气囊采集反应器的 尾气，并用气相色谱分析尾气中氧气的浓度 yO2(ti)，同时记录 相应时刻尾气的体积流率 NG(ti)，则t=ti时刻液体中氧气的瞬时 浓度为 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 压力的影响 实验在温度298 K、固含量为10%(w)、表观气速为0.034 m/s的条件下，考察了不同压力对气液传质系数的影响. 图2 显 示了传质系数kLa随压力的变化规律. 从图中可以看出，在 1.03.0 MPa的范围内，kLa随着压力的增加而增大. 这种现象与 压力对气液体系物性的影响有关. 压力的增加一方面有利于小气 泡的生成，使气泡的平均Sauter直径降低，从而导致气液接触面 积a显著增加. 同时，压力的增加还增大了气体在液体中的溶解 度，使液体的粘度减低，根据旋涡模型可知，液相传质分系数 kL反比于液体粘度，因此，压力的增加也将提高液体一侧传质 分系数 kL. 基于上述原因，压力的增加将使气液体积传质系数 变大，有利于气液传质. 结果与讨论 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 温度的影响 温度能够改变反应器内的气液体系的物理性质，影响传质特性. 实验在固含量10%(w)、压力1.0 MPa、表观气速0.030 m/s的条 件下，考察了温度对传质系数的影响. 图3 显示了传质系数随 反应温度的变化，表明传质系数kLa随着温度的升高而增大. 由于 较高的温度有利于气体的扩散，所以提高反应温度可以增大气体 在液体中的扩散系数，根据液相传质分系数kL与气体扩散系数的 平方根呈正比，温度升高增加了液相传质分系数kL. 另外，随着 温度升高，液体的粘度下降. 粘度降低将增大 kL. 尽管温度升高 还可能使小气泡聚并成较大的气泡，一定程度上会减小气液接触 面积a，但其影响相对于整个传质系数来说相对较小. 总体来说， 升高温度将有利于气液两相传质过程，增大了传质系数kLa. 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 表观气速的影响 表观气速是浆态鼓泡床反应器重要的操作条件之一，它对传 质系数有很大的影响. 实验在温度298 K、压力1.0 MPa、固含率 10%(w)的条件下，对不同表观气速下传质系数的变化进行了研 究，结果如图4 所示，表明随着表观气速增加，kLa增大. 这是因 为表观气速的增大意味着单位时间内流过反应器的气体体积量增 加，使液体中气泡数量随之增加，从而导致气液两相接触面积a 增大；同时较大的气速可以增加液相的湍流程度，使系统中的液 膜变得更薄，从而提高了液相传质分系数kL. 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 固含量的影响 在浆态鼓泡床中，固体颗粒经常以反应物、生成物或催化剂 的形式出现，使反应器内体系变得复杂，改变了反应器内的传质 特性. 实验在室温、压力1.0 MPa及表观气速0.034 m/s的条件下 ，研究了固体颗粒石英砂浓度在 0%10%(w)范围内对传质系数 的影响，见图 5. 从图可以看出，随着固体颗粒浓度的增加，kLa 减小. 这与 Deimling 等研究所得的结论相同. 出现这种现象是因 为固体颗粒浓度的增加减小了液相中的气相含率，从而减小了气 液两