（化学工程专业论文）鼓泡塔氧化反应器内构件的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 精对苯二甲酸( p t a ) 是聚酯工业的原料，目前主要采用对二甲苯( p x ) 空 气氧化法生产。目前中温和低温氧化工艺的反应器采用的都是鼓泡塔式反应器。 鼓泡塔反应器具有结构简单、造价及操作费用低廉、传热性能好等诸多优点。但 是p x 氧化反应器具有气速高、矗径大、气含率大、湍动剧烈等特点，在鼓泡塔 内部会形成塔中心部分气含率高、气泡直径大，壁面附近气含率底，气泡直径较 小，中心部分气液向上流、塔壁附近向下流的局部循环状态，而且随着塔径的增 大，这种流动状况会进一步恶化，最终可能导致中心区域液速过高而形成气体短 路。本文针对大型鼓泡塔径向流速分布不均易导致中心区域气体短路的问题，提 出了在中心区布置阻尼内构件改善流速分布的思路。冷模实验表明，与空塔时的 实验数据相比，内构件的加入可以有效地抑制中心气液流速，内构件尺寸对流速 分布有显著影响。引入了阻力密度函数来表征内构件的影响，采用拟均相流动模 型模拟含阻尼内构件的塔内流速分布，计算结果与实验测量值大体相符。同时， 内构件的加入对体积传质系数增长有促进作用，特别是在高气速下，内构件对k l a 的促进作用更加明显。然后对中温工艺的p x 氧化反应器上部脱水段塔板内构件 水力学性能进行了分析，确定造成塔板效率低下的原因是塔板上持液量过低，提 出用减小塔板开孔率的方法增加泡沫液位高度，进而提高板效，如将原2 2 7 的 开孔率减小到1 7 1 后，莫佛里板效将由2 3 增加到3 6 。本文得到的实验数据 及数学模型为对苯二甲酸氧化反应器的设计和优化提供了依据。 关键词：鼓泡塔反应器，内构件，气含率分布，液速分布，脱水，塔板效率，对 二甲苯 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e r e p h t h a l i ca c i di st h em o s ti m p o r t a n tf e e ds t o c ki nt h ef i e l do fp o l y e s t e r , w h i c h i su s u a l l yp r o d u c e dv i ao x i d a t i o no fp x y l e n ei na c e t i ca c i d t h er e a c t o r si nb o t h m i d - t e m p e r a t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r et e c h n o l o g ya r eb u b b l ec o l u m nr e a c t o r s b u b b l e c o l u m nr e a c t o rh a si t so w ns t r o n gp o i n t ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e 1 0 wc o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i n gc o s t ，g o o dh e a tt r a n s f e rp r o p e r t y b u tt h ef a c t o r st h a th i g hs u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t y , l a r g ed i a m e t e ra n di n t e n s et u r b u l e n ti nt h ep xo x i d a t i o nr e a c t o rm a y l e a dt o h i g hg a sh o l d u pi nt h ec o r ea r e a ，l o wn e a rt h ew a l l ；a n dl a r g eb u b b l ed i a m e t e ri nt h e c o r ea r e a 。s m a l ln e a rt h ew a l l a tt h es a n l et i m e ，l i q u i dm o v eu p w a r di nt h ec o r ea r e a ， d o w n w a r dn e a rt h ew a l l a sar e s u l tl i q u i dc i r c l ei nt h ew h o l ec o l u m ni sf o r m e d w h e n t h ec o l u m nd i a m e t e ri n c r e a s e s t h i sf l o ws t a t u sg e t sw o r s e u l t i m a t e l yt h eo v e r h i g h l i q u i dv e l o c i t yi n a yl e a dt oag a ss h o r tc i r c u i ti nt h ec o r ea r e a t h en o n u n i f o r m i t yo f l i q u i dv e l o c i t yp r o f i l ea l o n gt h er a d i a lm a y b et h em a i nd i f f i c u l t yi ns c a l eu po ft h e b u b b l ec o l u m nr e a c t o r t os u p p r e s st h eu p w a r dh i g hv e l o c i t yi nt h ec o r eo f t h ec o l u m n ， t h er e s i s t a n c ei n t e m a l sw i t hl a t e r a lf i n so nav e r t i c a lb a rw e r ei n s t a l l e do nt h ec e n t e r 1 i n eo fab u b b l ec o l m r m e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft h e i n t e r n a ln u m b e r , s i z ea n ds h a p eo ng a s l i q u i dv e l o c i t yp r o f i l e sa l o n gt h er a d i a l t h e m e a s u r e dv e l o c i t yp r o f i l e ss h o wt h a te x i s t e n c eo ft h ei n t e r n a l sc a nr e m a r k a b l yr e d u c e t h ev e l o c i t yi nt h ec o r ea r e a ，l e a d i n gt oar e l a t i v e l yu n i f o r n ld i s t r i b u t i o n t h er e s i s t a n c e d e n s i t yf u n c t i o nw a si n t r o d u c e dt oc h a r a c t e r i z et h ee r i e c to ft h ei n t e r n a l s ，a n da s i m p l i f i e dq u a s i h o m o g e n e o u sf l u i dm o d e lw a sa d o p t e dt os i m u l a t et h el i q u i dv e l o c i t y p r o f i l ei nt h eb u b b l ec o l u m nw i t hi n t e r n a l s t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa p p r o x i m a t e l ya g r e e w i t ht h ee x p e r i m e n t s a l s o ，t h ee x i s t e n c eo fi n t e r n a l si n c r e a s e st h em a s st r a n s f e r c o e f f i c i e n t e s p e c i a l l yu n d e rh i g hs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , t h ee n h a n c e m e n to n 虹口i s r e m a r k a b l e t h e r e a f t e r , a n a l y s e so nh y d r o d y n a m i cf o r t h ed e h y d r a f i o nc o l u m no f m i d t e m p e r a t u r et e c h n o l o g yr e a c t o ra r e c a r r i e do u t ，a n dt h ep o o rt r a ye f f i c i e n c yi s a t t r i b u t e dt oi n s u f f i c i e n tf o a mh e i g h ta b o v et h et r a y r e d u c t i o no ft h eo p e na r e ai s s u g g e s t e da sa ne f f e c t i v ew a y t oi n c r e a s et h ef o a mh e i g h ta sw e l la st h et r a ye f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eo p e na r e ad e c r e a s e df r o m2 2 7 t o1 7 1 m u r p h r e e e m c i e n c yi n c r e a s e sf r o m2 3 t o3 6 k e y w o r d s ：b u b b l ec o l u m nr e a c t o r , i n t e r n a l s ，g a sh o l d u pd i s t r i b u t i o n ，l i q u i dv e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ，d e h y d r a t i o n ，t r a ye f f i c i e n c y , p u r i f i e dt e r e p h t h a l i ca c i d i i 浙江大学硼士学位论文 第一章前言 精对苯二甲酸( p t a ) 是聚酯丁业的原料，目前主要采用对二甲苯( p x ) 空 气氧化法生产。卜世纪九十年代聚酯j 1 1 艺实现国产化后，我囤聚酯工业进入高速 发展时期，导致作为原料的p t a 产品严蘑短缺。2 0 0 1 年，精对苯二甲酸的进口量 为3 1 1 7 万吨，与1 9 9 9 和2 0 0 0 年的进口量15 4 | 2 和2 5 0 5 万吨相比，持续大幅度 增加。2 0 0 2 与2 0 0 3 年，尽管国内通过装置扩能和新建，产量达到了3 8 6 万吨， 但进口量仍连续两年达到4 3 0 万吨。2 0 0 5 年，随着宁波逸盛6 0 万吨p t a 装置以 及绍兴华联三鑫6 0 万吨p t a 装置的相继投产，国内p t a 产能达到5 8 5 万吨，但 仍有半数以上需要依赖进口。预计直到2 0 1 0 年，我国p t a 短缺的状况还不会改 变。由于缺乏自主知识产权，我国已有的十多套p t a 生产装置全部依赖技术引进， 成为世界罕有的囊括b p a m o c o 、d u p o n t i c i 、三井油化、l u r g i e a s t m a n 等各种 p t a 生产主流工艺的国家。在引进的成套装置费用中，工艺技术软件的费用占了 相当大的比重，如工艺软件包的价格就占了总费用的2 0 ，影响了我国p t a 产品 的成本和市场竞争力。 目前，p t a 的主要生产工艺有a m o c o 、m i t s u i ( 三井) 、d up o n t - i c i 、 l u r g i e a s t m a n 四种专利技术。四种工艺的共同点是均采用a m o c o - - m c 液相催化 氧化法，以钻一锰一溴为催化剂，醋酸为溶剂。不同之处主要是反应温度：i c i 与a m o c o 反应温度最高( 1 9 1 - - 2 0 5 ) ，e a s t m a n 温度最低( 1 6 0 。c ) ，以及由此导 致的压力、催化剂、含水量及反应器形式的差异( a m o c o 、d up o n t 均采用搅拌釜， 三井为搅拌鼓泡塔，l u r g i 则采用鼓泡塔) 【l 2 - 3 j 。因此，我们将i c i 与a i t i o c o 工 艺称之为高温氧化工艺，三井工艺称为中温氧化工艺，e a s t m a n 则称为低温氧化工 艺。不同工艺均有其特点，高温氧化反应速率较快，单位容积生产能力高，c t a 晶体粒径大，含水量高，冈此宜采用搅拌釜来强化传质与混合，只需尾气冷凝器 而不增加附属脱水设备即可满足含水量控制要求，晶体直接过滤干燥，不足是醋 酸消耗和搅拌釜没备造价较高。低温t 艺单位容积生产能力较低，采用鼓泡塔即 可满足传质要求，醋酸消耗低，不足之处是含水量低，需增加附属脱水设备，同 时晶体粒径小，离心分离后不能通过过滤干燥获得粗1 a 产品，浆料只能进行二 次氧化。中温：i 艺介于二者之间。 搅拌釜反应器虽然能够强化传质，但有其明显的缺陷，主要是设备造价与运 行费用较高，因为搅拌桨的动密封与震动问题需要专门的机械制造技术来解决， l 塑垩查兰型主兰些丝茎 另外，设备运行时耗电量大，维护费用也较高。并且搅拌器的结构、型式、轴密 封及搅拌功率配置等，涉及专利商多项技术专利。 相比之下，鼓泡塔反应器具有结构简单、造价及操作费用低廉、传热性能好 等诸多优点。l u r g i 和三井反应器虽然都是鼓泡塔式反应器，但是它们各自的工艺 特点决定了它们有着不同的结构。l u r g i 反应温较低，因此含水量要求控制得更低。 l u r g i 要控制反应器含水量，就必须在每个反应器后面接一个单独的脱水塔：而三 井则只需要在反应器上部增设脱水塔，就可以满足反应器含水量要求。 但是，i 井反应器卜部的脱水段普遍存在着塔板效率低的情况，板效率仅达 2 0 左右，说明塔板上的气液接触很不充分，因此有必要对塔板水力学进行分析， 以确定板效低下的原因并提出改进措施。 在高气速、大直径的鼓泡塔氧化反应器内部，气含率大，湍动剧烈。此时， 会造成塔中心部分气含率高、气泡直径大，壁面附近气含率底，气泡直径较小， 形成中心部分气液向上流、塔壁附近向下流的局部循环状态。而且随着塔径的增 大，这种流动状况会进一步恶化【4 l ，导致中心区域向上流速过高，一些未反应的 气体有可能从中心沟流或短路。为了使大塔径鼓泡塔中气液两相的轴向速度在径 向上分布得更均匀，本论文在鼓泡塔内设置阻尼内构件。通过比较设置内构件前 后的气含率分布、液速分布，对内构件结构做出评价，并通过数学模型模拟了内 构件的作用。理论和实验都表明，采用内构件来改善流速分布的思路是可行和有 效的。 浙江大学顾+ 学位论文 第二章文献综述 与本论文研究内容相关的主要有两个方面的文献，一是有关鼓泡塔流动及传 递规律研究，这方而的内容虽然较为丰富，但涉及与p x 氧化条件相关的高气速、 大塔径的工作则较少；二是关于鼓泡塔内构件的文献，其中塔板内构件的相关的 研究，可阻在一些化学工程手册中找到，而对鼓泡塔反应段内构件的研究则相对 较少。本章将对这两方面的文献进行系统的介绍与综述。 捕单鼓泡塔气升拽内幅垮照祀堪_ 升式辨黼鲑泡堪 静黼a 嚣型鼓樵啭 弋翟鬈藿薯祭堆 善段触趣埒| =多曹鲑泡培囔射鲑髓i 翻荆窿鼓泡塥 荣靛擞嫩蟒 图2 1 各种形式的鼓泡塔 2 1 鼓泡塔中的流动规律与传递规律 2 1 1 鼓泡塔反应器 鼓泡塔反应器( b u b b l ec o l u m nr e a c t o r , b c r ) 是多相反应装置的一种，在鼓 泡塔l i ，气体以鼓泡的形式分散地通过连续的液相。工_ e 鼓泡塔反应器形式多样， 按其结构特征可分为：简单鼓泡塔、多段鼓泡塔和填料鼓泡塔；按其操作方式可 浙江大学硕l 学位论文 分为：气液并流连续操作、气液逆流连续操作、液体间歇操作等形式，图2 1 给 出了工业上常用的几种基本类型7 o 由于气泡搅动而引起的强烈混合以及液速通 常相对较低，气液逆流操作的鼓泡塔在混合、传质等方面并没有多少优势f 6 一。 与其它多相反应器( 搅拌釜、填料塔、滴流床) 相比，鼓泡塔有如下优点： 结构简单、维护简便，无动密封问题；高液含率；传热性能好，便于控温： 较低能量输入下即能达到较理想的相间传质能力：处理固体时，无严重的腐 蚀、堵塞问题；造价相对低廉。其缺点是：液相返混严重、气泡易聚并等1 6 。 2 1 2 鼓泡塔的流型 气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。两相流流体力学分析 程序，一般是首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点分析其流动特性 并建立相应的模型和关联式。 溯圉 a 日c n l ， ；o 1 0 ) 喇 r 嚣0 0 5 a 安静鼓泡流b 湍动鼓泡流c 柱塞流 饥 0 s 0 , 0 5 00 1 0 0 ”0 5 0 0l ，d 反魔馨直径口咖 图2 2 鼓泡塔流型图 图2 3 鼓泡塔流型与塔径、气速的关系 鼓泡塔的流体力学特性强烈地依赖于塔内的流型，w a l l i s 依据气泡运动状况， 把鼓泡塔流型划分为以下四种，如图2 2 所示_ j 。 安静鼓泡流，又称均匀鼓泡流。在此流域内，气体以均匀鼓泡的形式均匀有 序地通过塔截面，液相只呈轻微湍动。此时，气泡较小且在径向和轴向上几乎均 匀分布，气泡问的相互作用很小。该流域只在表观气速很小时存在( 如对粘度较小 的流体，表观气速约小于o 0 5 m s ) 。 湍动鼓泡流，又称湍动流。当表观气速较大时( 如对粘度较小的流体约大于 o 0 7m s ) ，气体以非均一直径的气泡形态与液体接触，气泡间相互作用加强，相 互聚并、分裂，导致塔内流体产生剧烈的湍动。此时，塔中心部分气含率高、气 4 浙江人学硕士学位论文 泡直径大，壁面附近气含率底，气泡直径较小，形成中心部分气液向上流、塔壁 附近向下流的局部循环状态。 柱塞流，当气泡以很快的速度上升时，气泡问严重聚并，形成的大气泡直径 几乎等于反应器的直径，以柱塞形式往上流动，这通常发生在塔径较小、气速较 高、液体粘度较大的情况下。 过渡流，处于均匀鼓泡到湍动流之间的过渡状态。过渡区域受分布器形式、 液相的物理化学性质等因素的影响。 上述流域的分布如图2 1 3 所示。该图适合于液体间歇式的气一液鼓泡塔或淤浆 鼓泡塔，且液相为水或低粘度液体，对其它体系可作为参考。 2 1 3 流体检测技术 鼓泡塔的流场检测主要包括液体速度场检测及气含率分布检测等。i t i l l s1 8 ( 1 9 7 4 ) 采用p a v l o v 管( 改进毕托管) 首次测得了鼓泡塔中的液体径向速度分布。 此后，研究者们使用了多种测量液速的方法，如p a v l o v 管1 9 j 、热膜风速仪、热线 风速仪、激光多普勒测速仪l d v ( l a s e rd o p p l e r a n e m o m e t r y ) 等。气含率分布的 检测方法有压力探针法、光导纤维法、多点电导探针法等【l0 1 。在这些流场检测方 法中，毕托管、热线或热膜风速仪等需将探头插入塔内而使流场受到干扰，l d v 则为非接触式测量，对流场不造成干扰，且空间分辨率高、动态响应快。但l d v 只能逐点测量，即使采用微机自动控制，其测量过程也将是繁复的】。随着数字、 图形处理技术及计算机技术的发展，国内外开始采用摄像与图象处理技术相结合 的方法，同时解析出一个剖面上的流场信息，此即p i v 技术【l2 1 3 1 ( p a r t i c l eh n a g e v e l o c i m e t r y ) ，其原理是鼓泡塔由一狭缝激光束照射，用两个脉冲激发光源，得到 粒子场的两次曝光图像，接着从曝光时间内粒子的位移计算出速度场，同时由曝 光图像还可获得气含率分布。光学测量方法( l d v 与p i v ) 受流场透明度的限制， 一般只适用于气含率和固含量较低的情况，当气含率与固含量较高时，这类方法 难以有效地使用。 华盛顿大学d u d u k o v i c 1 4 ，1 5 , 1 6 】等人近年来丌发了计算机自动化放射性粒子示 踪技术c a r p t ( c o m p u t e r - a u t o m a t e dr a d i o a c t i v ep a r t i c l et r a c k i n g ) 。在c a r p t 中， 单个放射性粒子的运动轨迹由检测器连续监测，可检测的最高粒子运动频率为 2 0 3 0 h z 。通过c a r p t 绘制的粒子运动轨线，即可分析得到瞬时速度、时均流 动形态、湍动应力和湍流动能。同时，采用计算机x 射线断层造影技术c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) ，可获得设定高度上的时均气含率分布。这样，c a r p t 塑堡垒兰里三兰生堡塞 泡直径人，壁血附近气台苹底，气抱直径较小，形成中心部分气液向上流，塔壁 附近向r 流的局部循环状态。 柱塞流，当气泡以很快的速度上升时，气泡间严重聚并，形成的大气泡直径 几乎等于反应器的直径，以柱塞形式往上流动，这通常发生在塔径较小、气速较 高、液体粘度较大的情况r 。 过渡流，处于均匀鼓泡到湍动流之间的过渡状态。过渡区域受分巾器形式、 液相的物理化学性质等因素的影响。 上述流域的分布如图23 所示。该图适合于液体间歇式的气一液鼓治塔或淤浆 鼓泡塔，且液相为水或低粘度液体，对其它体系可作为参考。 2 1 3 流体检测技术 鼓泡塔的流场检测主要包括液体速度场检测及气含率分布检测等。i i i l l s ( 1 9 7 4 ) 采用p a v l o v 管( 改进毕托管) 首次测得了鼓泡塔中的液体径向速度分布。 此后，研究者们使用了多种测量液速的方法，如p a v l o v 管p j 、热膜风速仪、热线 风速仪、激光多普勒测速仪l d v ( i a s e rd o p p l e r a n e m o m e t r y ) 等。气含率分布的 检测方法有压力探针法、光导纤维法、多点电导探针法等【l 。在这些流场检测方 法中，毕托管、热线或热膜风速仪等需将探头插入塔内而使流场受到干扰，l d v 则为非接触式测量，对流场不造成干扰，乱牢问分辨率高、动态响应快。但l d v 只能逐点测量，即使采用微机自动控制，其测量过程也将是繁复的j ，随着数字、 例形处理技术及计算机技术的发展，国内外开始采用摄像与图象处理技术相结合 的方法，同时解析出一个剖面上的流场信息，此即p i v 技术_ l o ”j ( p a r t i c l ei m a g e v e k m i m e t r y ) ，其原理是鼓泡塔由一狭缝激光束照射，用两个脉冲激发光源，得到 粒子场的两次曝光图像，接着从曝光时问内粒子的位移计算卅速度场，同时由曝 光图像还f ，j 获得气含率分布。光学测量方法( i d v 与p i v ) 受流场透明度的限制， 一般只适用于气含率和固含量较低的情况，当气含率与崮含量较高时，这类方法 难以有效地使用。 华盛顿大学d u d u k o v i e ”，1 5 , ”1 等人近年来丌发了计算机自动化放射性粒子示 踪技术c a r p t ( c o m p u t e r - a u t o m a t e dr a d i o a c t i v ep a r t i c l et r a c k i n g ) 。在c a r p t 中， 单个放射性粒子的运动轨迹由检测器连续监测，可检测的撮高粒了运动频率为 2 0 3 0 h z 。通过c a r p q 绘制的特子运动轨线，即可分析得到瞬时速度、时均流 动形态、湍动应力和湍流动能。同时，采用计算机x 射线断层造影技术( i ( c o m p u t e dt o m o g r a p h v ) ，可获得设定高度上的时均气含率分布。这样，c a r p t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h v ) ，可获得设定高度上的时均气含率分布。这样，c a r p t 塑兰! ：丕兰堡主堂生堡苎 - - c t 联合使用，就可以提供非透明体系的全流场。该项技术也可用于淤浆鼓泡塔 或流化床中。 2 1 4 气泡特性 鼓泡塔的操作性能很大程度卜取决于气泡特性。气泡特性直接关系到相界面 积的大小，其中气泡直径和气含率是最重要的两个因素。 气泡直径通常用s a u t e r 直径( 体积面积平均赢径) 表示( 式( 2 1 ) ) ，文献中 给出了许多计算气泡直径的经验关联式6 ，”1 。气泡直径的测量方法有光散射法、 光反射法、电导法等，而最常用的就是照相法。y a m a s h i t a 等人【l8 j 指出照相法测定 的结果与由两点电探针法测得的结果吻合较好。但是，照相法只有在安静鼓泡流 区域( 乩。o ，0 5 n g s ) 测得的结果才可信，而且只适用于靠近塔壁附近的气泡状况 分析，在高气速时达气泡趋于在塔中部上升，因而照相法有时给 的平均气泡直 径是错误的。 氏= 髁 ( 2 1 ) 气泡的大小与气速、塔径、液体粘度、张力、电解质离子强度及压力等因素 有关f 6 ，”。当使用孔板或者烧结板作为气体分布器时，气泡大小随气速变化程度很 小。在小塔径时，气泡大小与塔径呈指数关系( d 。zd r 。03 ) 19 】；塔径1 5 c m 时， 气泡大小与塔径无关，只取决于气泡的聚并和破碎的平衡关系。在高粘度液体中， 气体的聚并速度加快，低粘度液体中气泡的破裂显著。增加表面活性剂降低表面 张力也可以抑制气泡的聚并。电解质离子的存在，表面张力会增大，增加了气泡 的聚并。工业中鼓泡塔有时在高压下操作，k o i b e l 等人( 1 9 6 1 ) 研究了空气一水体 系中压力对气泡大小的影响。发现压力在1 6 m p a 以下时，s a u t e r 直径都不会随压 力而变化。 气泡群上升速度与表观气速的关系为 “：= 己，。 ( 2 ，2 ) 在安静鼓泡流状态下，气泡上升速度在3 - 2 2 c m s 范围内。起初，在安静鼓泡流状 态下“：随气速增大而减小；随着流型向湍动鼓泡流转变，“；又开始呈现随气速增 大而增大的趋势，其最大值可以达到2 m s 。 气泡的终端速度常常被用来作为关联式参数。a l l e n 根据h a b e r m a n n 、m o r i o n 和m o t a r j e m i 、j a m c s o d 的试验数据，总结出小气泡( d 。 0 。1 5 c r n ) 时的气泡终端 6 浙江大学硕士学位论文 = 文等 亿s ， 而m e n d e l s o n 归纳出0 2 如8 c m 范围内的气泡终端速度为 1 2 0 - + 0 5 d b 9 0 “b 尸 f 2 4 1 2 1 5 气含率分布 气含率是鼓泡塔巾气相所占的体积分率，它是表征鼓泡塔流体力学性能的基 本参数之一。它直接影响着鼓泡塔的尺寸和气液接触面积，进而影响着塔内传质 和宏观反应速率，是鼓泡塔工程设计必不可少的重要参数之+ 。 通常所说的气含率是指全塔的平均气含率，也就是在全塔范围内气相体积占 鼓泡层体积的分率。对于全塔平均气含率，前人已作了大量研究，文献中也已经 给出了各种不同操作条件下的气含率经验公式口饥“1 。但是目前基于均匀相分布的 一维经典模型的鼓泡塔设计已经不能满足需要，预测精度不够。更加精细的气液 鼓泡塔内局部流动状况研究及其模型化是目前的主要趋势，这对于鼓泡塔的最优 设计、提高生产效率和产品质量都具有重要的意义。 要建立精细的模型，气含率在径向上的分布是必不可少的重要参数。在湍动 鼓泡区，气泡在卜升过程中受到一个径向的力，呈现向塔中心移动的趋势【2 2 1 。关 于局部气含率的研究，国内外的文献中已经有了一些报道。 h i l l s 口3 】( 1 9 7 4 ) 首次提出了相含率、气泡直径及速度在轴向和径向上具有分 布的概念。h i l l s 利用荦头电导探针测量直径1 3 8 r a m 的鼓泡塔中不同径向位置上 的气含率得到如图2 4 的气含率分布图。他发现气含率分布在空塔气速小于 o 3 c m s 时，是平坦的；但是随着气速的增大，塔中心的气含率会显著增大，而气 含率分布也会变得陡峭。 s k w a n g 等人 2 4 1 ( 1 9 8 7 ) 在直径5 7 1 5 m m 的鼓泡塔内用三维圆锥探头测量 了气含率分布。实验中气液两相混合流的流动方向分为向上流和向下流，气速从 1 0 c m s 到4 0 c m s 。从测量结果作者发现，在气液向上流时，气含率的最大值出现 在塔壁附近而不是出现在塔中央；在气液向下流时，中心区域的气含率分布得非 常平坦，靠近壁面处气含率急剧减小至零，而且气含率径向分布的形状不随气速 和液速的变化而改变。 浙江大学硕上学位论文 在国内，王树立等【13 1 ( 1 9 9 9 ) 用激光多普勒测速仪( l d v ) 在较大塔径的鼓 泡塔( i d = 2 0 0 m m ) 内测量了塔内不同高度在不同气速下的。i 含率分布。气泡在运 动中受液体升力作用。在升力作用下，气液同为向上流动时气泡向轴心处集聚。 气体向| ! 二流动液体向下流动时，气泡向塔壁附近集聚。并发现气含率随着轴向高 度的增加而增大，在局部气含率的关联式里也考虑了塔高的影响： 咖，= ( 0 6 9 + 0 0 6 h 小村| b s ， 式中，o = 0 8 1 5 u 。o 。”3 0 5 6 2 u 为中心气含率。 图24 不同气速下的气含率分布 圈25 塔径对气含率的影响，u g ：00 2 m ，s 关于气速对气含率分布的影响的报道相当丰富，但是关于塔径的影响，目前 相关的文献还不多。w e ic h e n 等人口5 】研究了鼓泡塔的放大规律，分别在2 0 0 、4 0 0 、 8 0 0 m m 的塔内用热线探头( h o t w i r ep r o b e ) 测量了气含率分布。结果显示，大塔 径的气含率与小塔径相比显得跟平坦一些，也就是说在大塔径塔中气体分布的更 均匀。但是文中所提到的三个塔的高度都是3 m ，液面高度2 m 。也就是说对于三 种不同塔径的塔，各自的高径比( h d ) 是不一样的，其中8 0 0 m m 塔的高径比最 小，只有2 5 。在j o s h i 的综述 1 中讲到，在常温常压下，使用多孔气体分布器的 水一空气体系中，h d o ，0 8 m s 时，缸啦j 的值与塔径、气趸百芜买1 万蕊 一0 4 8 ，如图2 9 所示。 ( a ) d r = 0l m 0 00 l0 20 304 s u p e r f i c i a lg a sv e l o c 咄m s 000 10 20 30 4 s u p e r f i c i dg a sv e l o c i t y , m s 000 10 203 0 ，4 s u p e t f i c i a lg a sv e l o c i t y , m r s 图2 9 不同塔径下 l a ，句与表观气速的关系p 6 1 ( a ) 0 1 0 m f b ) 0 1 5 m ，( c ) 0 , 3 8 m 2 空塔气速的影响 妃口与的关联式可用式( 2 8 ) 表示，在小气速下n = 0 7 8 0 8 2 ，且不受分布 器形式影响【7 】。文献中此类研究，大都在 o 5 m s 下的气速下进行，高气速下 的研究较少。 高峰等( 1 9 8 8 ) 在一个妒1 4 0 的鼓泡塔内，以空气一水为体系，研究了高气 速( u g = o 2 2 m s ) 下的传质，发现随着气速的增大，虹珂先增后减，虽大值在 = 1 】n ，s 处获得，并有式( 2 9 ) 。浚式的缸日值比一般文献值要大，例如，u c , = o 3 5 m s 时，由式( 2 9 ) 得k l a = o 1 8 3 ，而其它文献的计算或实验值大都为0 、1 3 o 1 5 3 6 ，3 8 , 3 9 1 。 k l a = 女嵋( 2 8 ) k l a = o 9 1 8 啦7 ”e 。0 “7 。f 2 9 、 k a w a s e 等1 4 0 1 根据h i g b i e 的渗透模型和k o l m o g o r o f f 的各向同性湍流模型，推 导了外循环气升式反应器k l a 和微的计算关联式。对牛顿型流体，k a w a s e 得出 了式( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，式中c 为与体系有关的常数，g g r 为上升管中的气含率。作者 在一个上升管直径庐o 1 5 5 m ，下降管直径分别为庐o 0 7 0 、0 1 0 5 m 的外循环气升 式反应器中，在矾； o 1 m s 下，对式( 2 1 0 ) 、( 2 ，1 1 ) 进行了检验。结果显示，二式 预测值与实验值的平均误差为2 0 2 。 呱蚴嘣蚴：兰j耋 啷咖呱呲呲嘶啪 浙江大学坝i 学位论文 惫2 话1 s1 1 4 t ：瓦i l ，x “4 ( - + 务“雠4 k l a = 国2 。噬1 2 u 4 14 0 ( 1 + 聋) - 9 7 ”反。万” ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 3 高径比的影响 实验表明，在一定范围内，缸a 与高径比( h d r ) 无关。当h d r 较小( 如 1 2 ) 时，由于在鼓泡塔的 上部气泡聚并加剧，使得虹减小；较合理的操作范围为3 h d r 1 2 【7 o 4 压力的影响 同气含率一样，压力对缸口的影响也归结于气体密度的影响。0 z t u c k ( 1 9 8 7 ) 4 1 在低气速、低密度下( u g 0 1 m s ，p g 1 3 k g m 3 ) 研究给出k z a o c p g o 甜。k o j i m a l 4 2 】 ( 1 9 9 7 ) 在低气速( u a 0 h n s ) 、o 1 1 1 m p a 下以n 2 一0 2 为气相研究得到k l a 8 l o c c g 0 7 0 2 - 1 0 6 ) g o0 3 3 9 1 5 5 ；l e t z e l ( 1 9 9 9 ) 1 4 3 1 在o 1 1 3 m p a 的压力范围内得到k l a e , g n o 5 ，即肪对虹盯的影响与气含率类似。d e w e s ( 1 9 9 7 ) 【4 4 】研究认为，p g 对兢a 影响也与气速有关，气速高，影响大，而与液体粘度、固含量无关，并有k l a o c p g “。 j o r d a n 等【3 引( 2 0 0 1 ) 研究发现p g 对缸影响与气速、气体密度有关，气速高、密 度大，影响也大，得出虹砒一p g o0 2 珈3 6 。 v a n d u & k r i s h n a 3 6 1 重新分析了j o r d a n 等 3 8 】( 2 0 0 1 ) 的数据，发现k l ( b s g 与气 体密度关系不大，即h 旬。o 4 5 。 2 2 鼓泡塔反应器内构件 2 2 1 鼓泡段内构件 在反应器中，由于气体反混、气泡生长，造成了气液接触不良，反应转化率 下降。随着反应器直径的放大这种情况将越来越严重。在鼓泡塔中设置内构件， 可以抑制和破碎气泡，改善气体在床层内的停留时间分布，改善塔内流型，从而 提高化学反应的转化率和收率。 常见的反应器内构件可以分为两类，一类为横向( 水平) 构件，如多孔挡板、 挡网、百叶窗挡板、波纹挡板等；另一类为纵向( 垂直) 构件，如简单垂直管束、 翅片管束。 d r e h e r 【4 5 1 ( 2 0 0 1 ) 研究了设有孔板内构件的鼓泡塔的放大规律。实验中，鼓 浙江人学硕士学位论文 泡塔的塔径从1 0 0 m m 增大到3 8 0 m m ，两种孔板的开孔率分别为1 8 6 和3 0 7 。 实验结果表明，液体的返混在孔板处受到阻碍，但是在两孔板之间返混剧烈。通 过孔板的返混速度与气速无关，只取决于孔板开孔率大小。另外，作者还发现上 升气泡在孔板处受到阻碍，在板下方形成气垫。但是随着塔径的增大，气垫高度 逐渐减小，这对放大是有利的。 图21 0 垂直内构件鼓泡塔的剖面图 k e m o u n l 4 6 | ( 2 0 0 1 ) 研究了装有带降液 管筛板的鼓泡塔内的流体流动情况。鼓泡塔 内径1 9 m m ，气速范围为3 3 6 7 c m s 。从实 验结果来看，筛板对气含率分布是有影响 的，足径向气含率分布变得均匀；而对全塔 品均气含率的影响甚微。 j i n w e nc h e n l 47 i ( 1 9 9 9 ) 研究了鼓泡塔 的纵向内构件。在内径4 4 0 r a m 的塔内均匀 排列了1 6 根垂直管( 如图2 1 2 ) 。结果发 现内构件对总体流动情况没有明显的影响， 但是内构件的引入减弱了流体的径向湍动 强度，阻碍了流体的径向流动。 2 2 2 脱水段内构件 气液传质过程是指在气相和液相两相间进行的质量传递过程。用于进行气液 传质过程的设备就是气液传质设备。为了有效和经济地运行，气液传质设备必须 满足以下基本要求【48 】：相际传质面积大、气液两相充分接触。生产能力大。 操作稳定，操作弹性大。阻力小。结构简单，制造、安装方便，加工费少， 以减少设备投资。耐腐蚀，不堵塞，易检修。考虑了上述要求，最广泛应用的 气液传质设备是板式塔和填料塔。 板式塔是一种逐级( 板) 接触型的气液传质设备，塔内以塔板作为基本构件， 气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔板h 的液层，使气液两相密切接触进行传质。 填料塔属于微分接触型的气液传质设备。塔内以填料作为气液接触和传质的 基本构件，液体在填料表面呈膜状向下流动，气体呈连续相自下而上流动，并进 行气液两相间的传质。 板式塔和填料塔均町用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但在两者之间进行比 较和选择时，应考虑多方面的因素。表2 1 给出了板式塔和填料塔主要的比较情 浙江大学项+ 学位论文 况【4 9 】。 表2 1 板式塔和填料塔的比较 案 板式塔填料塔 小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整 压降较人 填料较小 小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整 空塔气速较大 填料较小 塔效率较稳定，效率较高传统填料低，新型乱堆及规整填料高 持液量较大较小 液气比适应范网较大 对液量有啶要求 安装检修较易 较难 材料 常用金属材料金属及非金属材料均可 造价大直径时较低新型填料投资较人 1 板式塔 扳式塔按( 在同一块塔板上) 气液流向的不同分为气液呈错流的塔板、气液呈并 流的塔板及气液呈逆流的塔板。 气液错流的塔板主要包括泡罩型、筛孔型、浮阀型。 泡罩塔是1 8 1 3 年c e l l i e r 提出的，1 9 2 0 年被引入炼油工业。但是由于其结构 复杂、笨重、制造成本高及较低的塔板效率，在5 0 年代前后已j l 乎完全被浮阀或 筛板塔板所代替。 筛板塔也早在1 8 3 2 年就应用于工业生产，早期的塔主要用于食品和医药生 产，知道1 9 1 2 年，筛板塔才开始用于炼油工业。由于构造简单，成本低廉，性能 良好，筛板塔得到了广泛的应用。+ 直以来，操作的稳定性差、板效率低，被人 们认为是筛板的两个缺点，但是近年来的实践证明，筛板的稳定操作范围不亚于 其他塔板。p r i n c e 在一定清液层高度下，比较了筛板于泡罩塔板的f 因子，表明 筛板的f 因子约比泡罩塔板高6 0 。他也得出结论：筛板塔与泡罩塔相比具有高 处理量、低压降和较大的操作范围。p r o c t e r 通过对比认为，筛板塔比泡罩塔在塔 效率卜可提高1 5 ，处理量可增加1 2 ，而压降可减少3 0 。 浮阀塔是五 一年代初在美国发展起来的，是一种有效的气液传质设备。它问 世以来，就受到人们的注意，并很快得到推广，已有较成熟的使用经验。实践证 明浮阀塔有下列优点【4 8 1 ：生产能力大，比泡罩塔提高2 0 4 0 。操作弹性大， 在较宽的气相负荷范围内塔板效率变化较小，其操作弹性较筛板塔有很人改善。 浙江人学硕士学位论文 塔板效率高，因为它气液接触状态良好，且气体水平方向吹入液层，雾沫夹带 较小。塔板结构及安装较泡罩简单，重量较轻，制造费用约为泡罩塔板的6 0 8 0 。当然，浮阀塔也有它的不足之处：在低气速下仍有漏液现象，导致低气速 下效率不高；浮阀阀片在长期的运作巾有仁死、吹脱的危险；塔板的压降较大。 气液呈并流的塔板有斜孔塔板和垂直筛板等。刚才所讲到的几种塔板都是鼓 泡型的塔板，而喷射型塔板与以上这些有着本质上的区别。在喷射