鼓泡塔课件资料

鼓泡塔,1.鼓泡塔的概念2.鼓泡塔的发展3.鼓泡塔的结构4.鼓泡塔反应器的操作状态5.鼓泡塔反应器的流体力学特性6.鼓泡塔反应器的传质、传热特性7.鼓泡塔反应器的简化反应模型8.鼓泡反应器的热稳定性9.鼓泡塔反应器的经验计算法,1.鼓泡塔的概念,概念：鼓泡塔是在塔体下部装上分布器，将气体分散在液体中进行传质、传热的一种塔式反应器。优点：气相高度分散于液相中，具有大的液体持有量和相际接触面，传质和传热效率高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况；结构简单，操作稳定，投资和维修费用低。缺点：液相有较大的返混，气相有较大的压降故效率较低。,2.鼓泡塔的发展,图1是各种鼓泡塔的示意图，从图中可见，在鼓泡塔中，气液两相基本呈并流和逆流两种。,3.鼓泡塔的结构,（1）简单鼓泡塔1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩大段,主要由塔体和气体分布器组成。塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等；塔内液体层中可放置填料；塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。,影响传质的因素：当气体空塔气速低于0.05m/s时，气体分布器的结构就决定了气体的分散状况、气泡的大小，进而决定了气含率和液相传质系数的大小。当气体空塔气速大于0.1m/s时，气体分布器的结构无关紧要。此时的气泡是靠气流与液体间的冲击和摩擦而形成，气泡大小及其分布状况主要取决于气体空塔气速。,简单鼓泡塔内液相可近似视为理想混合流型，气相可近似视为理想置换流型。最佳空塔气速应满足两个条件：a.保证反应过程的最佳选择性；b.保证反应器体积最小。,（3）空心式鼓泡塔,空心式鼓泡塔,（2）气体升液式鼓泡塔1-筒体；2-气升管；3-气体分布器,气体升液式鼓泡塔,适用于高粘性物系。例如：生化工程的发酵、环境工程中活性污泥的处理、有机化工中催化加氢等,最适用于缓慢化学反应系统或伴有大量热效应的的反应系统。热效应较大时，可在塔内或塔外装备热交换单元。,（4）多段式鼓泡塔反应器,多段式鼓泡塔反应器,克服鼓泡反应器中的液相返混现象，适用于高径比较大的情况。,（5）搅拌鼓泡反应器,适用反应系统：气体与黏性液体或悬浮溶液反应系统,按气体导入方式不同,搅拌反应器类别示意图,4.鼓泡塔反应器的操作状态,气体的空塔线速度不同会在鼓泡塔内造成不同的流动状态。安静鼓泡区：表观气速低于0.05m/s时，处于此区。所谓安静区操作，即鼓泡塔中的气体流量较小，气泡大小比较均匀，规则地浮升，液体搅动并不显著。湍流鼓泡区：表观气速大于0.08m/s时，处于此区。所谓湍动区操作，在气体流量较大时，气泡运动呈不规则现象，液体作高度地湍动，塔内物料强烈混合，气泡作用的机理比较复杂，这种情况称为湍动区。,栓塞气泡流动区：小径气泡塔，高表观气速下出现此状态。实验观察到，栓塞气泡流发生在小直径直至0.15m直径的鼓泡反应器中。在生产装置中，简单的鼓泡塔往往选择在安静区状态下操作，而气体升液式鼓泡塔往往在湍动区操作。,鼓泡塔流动状态分布区区域图,(1)气泡直径,a.气泡的形成机制uOG较低时：气体分布器uOG中等时：气体分布器加液体湍动uOG较高时：液体湍动使气流破碎成气泡。b.气泡大小的影响单个气泡的形状和直径：db1.0cm垂直上升的菌帽状气泡的大小直接关系到气液传质面积。在同样的空塔气速下，气泡越小，说明分散越好，气液相接触面积就越大。,五、鼓泡塔反应器的流体力学特性,c.气泡的直径计算可按Akita准数关联式计算：,dvs为全塔平均气泡直径；DR为鼓泡塔内径；uOG为鼓泡塔表观气速；L为液体表面张力,可用下式描述气泡直径沿径向的变化：,dB为鼓泡内反应器内于直径d处气泡平均直径d为鼓泡塔反应器内任一点的直径,(2)气含率,气含率：单位体积鼓泡床（充气层）内气体所占的体积分数,液体不流动时的气含率,液体连续流动时的气含率,气含率的含义是气液混合液中气体所占的体积分率，可用下式表示：,式中G气含率；VG气体体积，m3；VL液体体积，m3；VGL气液混合物体积，m3。,对于传质与化学反应来讲，气含率非常重要，因为气含率与停留时间及气液相界面积的大小有关。影响气含率的因素主要有设备结构、物性参数和操作条件等。一般气体的性质对气含率影响不大，可以忽略。而液体的表面张力L、粘度L与密度L对气含率都有影响。空塔气速增大时，G也随之增加，但uOG达到一定值时，气泡汇合，G反而下降。G随塔径D的增加而下降，但当D0.15m时，D对G无影响。,对于塔径大于15cm的鼓泡反应器，气含率关联式为：,C为常数，对纯液体和非电解质溶液C=0.2，对电解质溶液C=0.25；L为液体粘度。上述的气含率是反应器内的平均值，气含率沿塔径的分布，可采用下式：,对于塔径小于15cm的鼓泡反应器，参考关联图：,气含率关联图,w为水的密度w为水的表面张力,（3）鼓泡塔反应器中液体循环速度鼓泡塔反应器中，塔中部液体随气泡群的上升而夹带向上流动，而近壁处液体回流向下，构成了液体循环流动，如下图。研究得出d/DR=0.7处为轴向循环速度为零点的中心点，直径小于此处液体向上运动，直径大于此处则液体向下运动。中心最大上升液体速度uCL和近壁处最大下降速度uWL的关系为:,鼓泡塔反应器中液体循环,（4）环流反应器的气含率和合适尺寸,对于低黏度液体，提升式环流反应器的气含率可以表示为：uOL为液体循环表观流速为了获得较高的循环流速，对直径为DR的提升式内循环反应器，如右图，其合适尺寸为导流筒长度4.4DR；顶部转向高度0.35DR；底部转向高度0.25DR；反应器高度5DR；导流筒直径0.59DR。,（6）鼓泡塔内的气体阻力P,气体阻力,气体分布器阻力,气体分布器阻力,床层静压头头阻力,（7）返混,鼓泡塔内液相存在返混，所以通常工业鼓泡塔反应器内液相视为理想混合。塔内气体的返混一般不太明显，常假设为置换流，其计算误差约为5%。但要求严格计算时，尤其是当气体的转化率较高时，需考虑返混。,（5）气液比相界面积,含义：单位气液混合鼓泡床层体积内所具有的气泡表面积，用表示。的大小直接关系到传质速率，是重要的参数，值测定比较困难，人们常利用传质关系式NA=kLcA直接测定kL之值进行使用。,鼓泡塔的传质,气膜传质阻力,液膜传质阻力,阻力较小，可以忽略,气膜传质分系数：,阻力的大小决定了传质速率的快慢,液膜传质分系数：,6.鼓泡塔的传质、传热,气-液传质比表面积可由气含率和气泡直径按下式确定：气-液界面的液相容积传质系数可按下式关联：,影响液相传质系数的因素,安静区操作时,湍动区操作时,气泡大小,空塔气速,液体性质,扩散系数等,液体的扩散系数,液体性质,气泡当量比表面积,气体表面张力等,鼓泡塔的传热,利用溶剂、液相反应物或产物的汽化带走热量,采用液体循环外冷却器移出反应热,采用夹套、蛇管或列管式冷却器,鼓泡塔的总传热系数通常为694915W/(m2K),给热系数可按下关系计算：,当时，,当时，,7.鼓泡塔反应器的简化反应模型,考虑对气相反应物A和液相反应剂B均为一级的气液反应（A+BB=产物）（1）气象为平推流，液相为全混流。此情况属于小直径鼓泡反应器的情况。当液相为连续加料时，则浓度变化为：当液相为间歇加料和出料时，则浓度变化为：,G为惰性组分摩尔流量或摩尔通量,如果是连续操作，则浓度变化为：,如果是间歇操作，则浓度变化为：,（3）考虑气相轴向弥散的计算方法：液相为全返混而气相可用轴向弥散模型，对不可逆反应，液相主体CAL=0，即,（2）气相与液相均为全混流，符合搅拌鼓泡反应器的情况，,Levenspiel将上式的解析解与活塞流进行比较，得出了轴向弥散对反应容积的定量影响，绘出了下图：,鼓泡塔气相混合对反应器高度的影响,8.鼓泡反应器的热稳定性,连续操作的鼓泡或搅拌鼓泡反应器中，由于反应器存在着严重的轴向返混，可出现多重定态。气液反应是多相反应，它与单相反应相比，热稳定性更为复杂，它是化学反应速率、传递速率和溶解度的共同作用结果。其多态的数目也较单相反应为多。气液均为理想混合时，气液反应器的定太热平衡可写成：上式可改写成：,稳定判据(单一不可逆反应绝热式连续操作),q1，q2与T的关系,（1）反应器体积的计算鼓泡塔反应器除内件（填料、隔板、换热器等）的体积外，其体积主要由四部分构成：清液层体积VL、气液层所含气体体积VG、气液分离空间体积VE及顶盖死角体积VC。即,V=VL+VG+VE+VC,a.充气液层的体积VR,b.分离空间体积VE,c.顶盖死角体积VC,9.鼓泡塔反应器的经验计算法,（2）反应器