（环境科学专业论文）滴流床流率分布的模拟与整流.pdf

滴流床流率分布的模拟与整流 时间离散的m a r k o v 过程。 z 墨z 图1 随机理论模型示意 由随机过程的理论可知：状态离散、时间离散的m a r k o v 过程由其 初始分布和状态转移矩阵决定。若二者已知，则完全知其统计特性。以 p i j ( i ，j = 1 ，2 ，3 n + 1 ) 表示流体从流区i 经一步转移到j 流区的概率。 由此作为元素就可构成系统内的液体概率转移矩阵口： p u ，p i 2 ，p 1 3 。p 1 , n + i p 2 1 ，p 2 2 ，p 2 3 p 2 ，n + i p n + i i ，p n + i z ，p n + 1 3 p n + l - n + 1 若是以f f 1 ( 0 ) ，f 2 ( o ) f n + l ( o ) 表示液体流率的初始分 布，即：f ，( o ) = k ( o ) li = l ，2 ，n + i 式中，l ( 0 ) 是各流区液体初始流量，l 是床层截面液体总流量。 那么，经一步转移后液体的流率分布为： f ( 1 ) ，e ( 1 ) ，f + ( 1 ) 】_ 暇( o ) ，( o ) 日+ ，( 0 ) + i p 即：i p ( m ) = i p ( m 一1 ) i p i p ( m ) = i p 滴流床流率分布的模拟与整流 故经i l l 步转移后的液体流率分布为 i f , ( m ) ，e ( m ) r + ，( m ) e ( o ) ，f 2 ( o ) 目+ ，( o ) 】+ 上p 气体对液体有曳力，这可影响液体径向的扩散，故需引入径向扩散 校正因子s 。同时本文采用的是截面为圆的挤条形催化剂，由于挤条形 催化剂随机堆积时，截得的横截面形状各异，为方便起见，将所有常数 一并归入s 中。 经推理可得滴流区概率转移矩阵母。 一盟监o0 一-4 盐l 一盏生! 型一s r 2 0 a 2a 24 o墅吐 a 00 0 0 1 一量! 垒= ! ! 二2 垒j 盏l ! ：2 尘 一一 f 21 一f 2 讲是一个三对角矩阵。 本文采用以下目标函数，由寻优法估计参数s 和f 口= 荨莩c 箸k ，篙一三z ，i 1c j 一， 2 、装有气液整流装置的床层径向流率分布的理论推导 本文研究者采用了开孔的同心短圆锥作为气液整流装置，用来改善 液体的流率分布。根据气液整流装置的结构和作用，当流体流到气液整 流装置位置时，液体都有内敛的作用，径向上没有流体向外扩散，液体 完全扩散到了内一层，由此可知p ( 1 ，1 ) = l ，p ( i ，i + 1 ) = o ，p ( i ，i ) - - o ，p ( i + l ，i ) = l ， 那么，气液整流装置一层的转移矩阵应为： f p = 1o 10 0l o0 0 o oo 0 0 - oo 10 滴流床流率分布的模拟与整流 二、根据滴流床流率分布的内在规律，采用了开孔的同心短圆锥作 为归整滴流床流率分布的气液整流器，以规范流体的流动，实验结果表 明，该滴流床反应器较传统滴流床的液体不均匀分布系数较小，壁流明 显减少。 实验物系为空气一水，实验采用挤条形催化剂( 截面为圆) 颗粒， 用气液整流器规整其流型。实验滴流床是塔径为2 8 0 m m ，高度为1 2 0 0 m m 的有机玻璃塔。 液体的表观流率为1 1 0 9 1 0 一8 7 3 x 1 0 m s ，气体表观流率为 0 0 9 0 8 3 7 m s 。 实验过程中主要的装填形式有： i催化剂高h = 9 0 c m ，没加气液整流装置。 i i催化剂高h = 9 0 c m ，加有两个气液整流装置。 i i i 催化剂高h = 9 0 c m ，加有三个气液整流装置。 结论 通过对床体各种装填形式的径向流率分布的测定，得出如下结论： 1 、滴流床滴流区内液体的流率分布可用状态离散、时间离散的齐 次m a r k o v 过程描述，利用随机过程理论中m a r k o v 过程的代数处理方 法，由下式可直接确定任一高度下的液体径向流率分布及平衡流率分 布： 径向流率分布： ( m ) ，只( m ) 目+ 。) = 鼻( o ) ，( o ) r + 。( 0 ) 1 + i p 平衡流率分布： 耳”= 厂2 厂2 2 + ( 1 一f ) s ( 径向流) w 。= ( 1 一f ) sr n f 2 册2 + ( 1 一f ) sr n ( 壁流) 2 、液体流动的概率转移矩阵口可由随机堆积颗粒的统计特性确定， 4 滴流床流率分布的模拟与整流 以参数s 修正。 l 一旦 a i s a 2 0 o 蚯1 a 0 s 为径向扩散因子，关联式为 0 o 业= ，堑二必堑乏趋 wa w r、一r s = 3 4 8 2 6 9 1 0 一r e g e x p ( 0 1 r e g ) 一0 2 5 9 n ( 0 1 r e l ) 一3 7 9 1 0 e x p ( 0 1 r e l ) 其误差一般小于1 0 ，适用范围： r e l = i 。0 1l 6 8 9 ：r e g = 5 3 5 5 8 3 6 7 3 、为了提高床层流率分布的均匀性，本文研究者开发出了气液整 流装置来规整流体的流动，对加装气液整流装置的床层，整流段的概率 转移矩阵为： 000 o0 00 _-_-_ ioo o l0 计算结果与实验结果比较表明，二者基本吻合。 4 、添加了气液整流装置的滴流床与散装的催化剂颗粒床层相比， 流率分布均匀性好，且有效的减少了壁流；在相同催化剂高度上( 0 9 m ) ， 不装、装有两个、装有三个气液整流装置的床层情况相比较，装有三个 气液整流装置的床层流率分布最均匀。 关键词：滴流床反应器、m a r k o v 过程、气液整流器、流率分铂 0 0 。堕3 亟一也 一 滴流床流率分布的模拟与整流 t h ei m i t m i o na n dr e c t i f i c a t i o no ft h ef l o wr a t e d i s t r i b u t i o ni nt r i c k l e b e d a b s t r a c t t h ef l o wr a t ed i s t r i b u t i o no f l i q u i di nt r i c k l e b e dr e a c t o r ( t b r ) i ss t u d i e d i nt h i st h e s i s t h em a i n l y o b j e c t i v ei n c l u d e st w op a r t s ：o n ei st od e v e l o p t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l t os t u d y t h ef l o w m e c h a n i s m o f l i q u i d i n t h e be do f t b r ，a n dt h eo t h e ri st os t u d yt h et e c h n o l o g ya n dd e v i c et od i s t r i b u t et h e l i q u i du n i f o r m l y i nt h ef i r s tp a r t ，s o m et h e o r e t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h e d i s t r i b u t i o no ff l o wr a t eo fl i q u i d ，s u c ha sd i s c r e t e m o d e l ，d i f f e r e n t i a l c a l c u l u sm o d e la n ds t o c h a s t i cm o d e l b u tt h e s em o d e l sa r ed i m c u l tt o c a l c u l a t eo rc a l l tl e a dt og o o dr e s u l t s w i t ht h eg u i d a n c eo f p r o f l i ，t h e a u t h o rs t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o no ff l o wr a t ei nt b ru s i n gh o m o g e n e o u s e q u a t i o no f m a r k o v 1 1 1 er e s u l t ss h o w nt h a t t h ec a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t d a t ac o i n c i d ew e l lw i t he a c ho t h e r i nt h el a t e rp a r t ，t h ea u t h o r d e v e l o p sa s e to f g a s l i q u i dm o d u l a t i n gd e v i c e t or e g u l a t et h ef l o wr a t ed i s t r i b u t i o no f l i q u i d ， t h ef o l l o w i n ga r et h ed e t a i l so f t h et w o p a r t s t h ef l o wr a t ed i s t r i b u t i o no f l i q u i di nt b r i ss t u d i e du n d e rt h ec o n d i t i o n s 1 、o fc o m m o n t e m p e r a t u r e a n ds t a n d a r d a t m o s p h e r i cp r e s s u r e t h e r a n d o mm a t h e m a t i c a lm o d e li sd e s c r i b e d u s i n ge q u i v a l e n t m a r k o v e q u a t i o n s t h et i m ea n d s t a t ep a r a m e t e r sa g ed i s c r e t e b a s e do nt h em o d e l ， t h ef l o wr a t ed i s t r i b u t i o n sa l o n gr a d i a la n da v e r a g ea t a n yh e i g h tc a nb e c a l c u l a t e dd i r e c t l y , m o r e o v e r , t h ep r o b a b i l i t yt r a n s i t i o nm a t r i xo ft h ef l o w c a l lb ed e t e r m i n e dv i at h es t a t i s t i cc h a r a c t e ro ft h er a n d o r aa t i r a ! l 】a t e 塑堕堕堕兰坌塑塑堡型量些堕 p a r t i c l e s ，a n db e c o r r e c t e db ys t h e r a n d o mt h e o r e t i c a lm o d e l s h o w ni nf i g 1 ，t h es e c t i o no ft h eb e do f t b ri sd i v i d e di n t oas e r i e s o f c o n c e n t r i cc i r c l e s z = o z = z f i g 1 t h et h e o r e t i c a lm o d e l t h er a d i u so ft h ec i r c l e sa r el a b e l e da sf r o mr lt or n ( r ni sj u s te q u a lt o t h er a d i u so ft b r ) ，a n dt h e s ec i r c l e sd i v i d e dt h et b ri n t od i f f e r e n tf l o w f i e l d s t h ef l o wf i e l d sa r em a r k e df r o m1t on s e p a r a t e l y , a n dt h ew a l lo f t h er e a c t o ri st h ef l o wf i e l do f n o ( n + 1 ) s u p p o s e dt h a tt h ef l u i di na l lt h e f i e l d sw i l la c c o m p l i s hat r a n s p o r ti nd o w n - f l o wd i s t a n c e z ，t h ef l o wi n t r i c k l e b e di sam s t e pm a r k o vp r o c e s s ，w h e r em = z az ( z t h eh e i g h t o f t r i c k l e b e d ) a c c o r d i n gt o t h e t h e o r yo fr a n d o mp r o c e s s ，t h e s t a t i s t i co ft h e m a r k o vp r o c e s sw i l lb ec a l c u l a t e do u tf r o mt h eo r i g i n a ld i s t r i b u t i o na n d s t a t e t r a n s p o r t m a t r i x n o w ，t h ep r o b a b i l i t yt r a n s p o r t m a t r i xi pi s e s t a b l i s h e dw i t hp ua se l e m e n t ，w h e r ep ui st h ep r o b a b i l i t yo fs u c c e s s f u l t r a n s p o r to f t h ef l u i df r o mf i e l d ( i ) t of i e l d ( j ) i no n es t e p ： 7 滴流床流率分布的模拟与整流 p 1 1 ，p t 2 ，p 1 3 p l _ n + p 2 t ，p 2 2 ，p 2 3 。一p 2 ，n + i p n 十1 1 ，p n + 1 2 ，p n + 1 3 p n + i n 十 i f t h eo r i g i n a ld i s t r i b u t i o n o f f l o wr a t e i sf f i ( 0 ) ，f 2 ( 0 ) f n + l ( o ) ， n a m e l y , f i ( o ) = l i ( o ) li _ l ，2 ，n + i w h e r el i ( o ) i st h eo r i g i n a lf l u xo ft h ec o r r e s p o n d i n gf i e l da n dli s t h et o t a lf l u xa c r o s st h et r i c k l e b e d ， t h ed i s t r i b u t i o no f t h ef l u xa f t e ro n es t e po f t r a n s p o r tw i l lb e e ( 1 ) ，最( 1 ) ，目+ ，( 1 ) 】【e ( 0 ) ，如( o ) 目+ 。( 0 ) 4 p i tf o l l o w ss i m i l a r l y , i p ( m ) = i p ( m 一1 、+ i p i p ( m ) = i p ” s ot h ed i s t r i b u t i o no ff l u xa f t e rm s t e p so f t r a n s p o r t w i l lb e i f , ( m ) ，f 2 ( m ) 目。( m ) 】= 【e ( o ) ，r 2 ( o ) r + ( o ) + p ” i nt h ef o l l o w i n gm a t r i x ，ac o r r e c t i o nf a c t o rsi si n t r o d u c e dt oc o r r e c tt h e i n f u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s ，s u c ha st h et r a c t i o no fg a sa n dt h es h a p e so f f i l l i n g i nt b r ，o nt h ed i s t r i b u t i o no ff l u x t h e nt h et r i a n g u l a rd i a g o n a l l y m a t r i xi pc a nb ed e d u c e d a sf c ) l l o w e d ： 8 塑堕堕堕奎坌塑堕塑型皇鳖堕一 p = 0 0 只：只， 只。q5 。y m r l 00 a i 岛业! 生盟0 a 2a 2 量三矗。一是随! i ! 二丝 a a 0厂2 r 川 0 o 占g 二j 二堑 a i f 2 t h ep a r a m e t e r ssa n df a r ec a l c u l a t e du s i n g t h ef o l l o w i n ga i mf u n c t i o n 口= 善莩c 箸c ，篙j 三z 11 i t h e t h e o r e t i cd e d u c t i o no f t h er a d i a ld i s t r i b u t i o no f f l u x t h ea u t h o ri m p r o v e st h ed i s t r i b u t i o no fl i q u i d f l u xb yu s i n gg a s l i q u i d m o d u l a t i n gd e v i c e ，w h i c ha r em a d e o fag r o u po fs h o r th o m o c e n t r i ct a p e r s b a s e do nt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h eg a s l i q u i dm o d u l a t i n gd e v i c e ，t h e l i q u i dc a n ，td i f f u s eo u t w a r d b u tc u m u l a t ei n t ot h ef i r s tl a y e ro fi n s i d ew h e n i ta r r i v e dt h ed e v i c e s op ( 1 ，1 ) = 1 ，p ( i ，i + 1 ) - o ，p ( i ，i ) = 0 ，p ( i + l ，i ) 2 1 ，t h e nt h e t r a n s i t i o nm a t r i xo f t h ef i r s tl a y e ri s ： p = ooo o0 o0 1oo o10 2 、b a s e do nt h ei n t r i n s i cc h a r a c t e ro f t h el i q u i df l u xd i s t r i b u t i o ni nt r b ，a g r o u p o fs h o r th o m o c e n t r i c t a p e r s w i t hh o l e s a r eu s e da s g a s l i q u i d m o d u l a t i n g d e v i c e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w nt h a t ，t h el i q u i d f l u x d i s t r i b u t i o ni nt h ei m p r o v e dt b ri sm o r eu n i f o r mt h a nt h a ti nt r a d i t i o n a l 9 矗一4一 滴流床流率分布的模捌与整流 t b r ，a n d t h ew a l lf l u xd e c r e a s ec l e a r l y t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sa i r - w a t e r , t h ek a t a l y s tg r a i ni ss q u e e z e ds t r i p t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t b ra r ea sf o l l o w s ：t h ed i a m e t e ri s2 8 0 m m ，a n d t h eh e i g h ti s1 2 0 0 m m t h em a t e r i a lo f t h et o w e ri sp o t y m e t h y lm e t h a c r y l a t e t h ea p p a r e n ts p e e do ft h el i q u i di s11 2 5 1 0 一5 6 2 5 1 0 r n s a n dt h e a p p a r e n ts p e e d o f t h eg a si so 0 9 0 2 7m s i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h el o a d i n gf o r m so f p a c k i n ga r ea d o p t e da sf o l l o w s w h e nt h eh e i g h t o f p a c k i n g i s9 0 c m ： it h e r ei sn o g a s - l i q u i dm o d u l a t i n g d e v i c e i it h e r ea r et w o g a s l i q u i dm o d u l a t i n g d e v i c e s i i it h e r ea r et h r e eg a s l i q u i dm o d u l a t i n gd e v i c e s c o n e l u s i o n t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r ed r a w nv i am e a s u r et h er a d i a lf l u x d i s t r i b u t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o n so f v a r i o u sl o a d i n gf o r m so f p a c k i n g ： 1 、t h ef l u xd i s t r i b u t i o ni nt b rc a nb ee x p r e s s e da n dc a l c u l a t e du s i n g h o m o g e n e o u s m a r k o v e q u a t i o n v i ad i s c r e t es t a t ea n dt i m e t h ef l u x d i s t r i b u t i o n sa l o n gr a d i a la n da v e r a g e a t a n yh e i g h t c a nb ec a l c u l a t e d d e t e r m i n e dd i r e c t l yb ym a r k o v e q u a t i o n 2 、t h ep r o b a b i l i t yt r a n s i t i o nm a t r i xo ft h ef l u xc a nb ed e t e r m i n e dv i a t h es t a t i s t i cc h a r a c t e ro ft h er a n d o mc u m u l a t ep a r t i c l e s ，a n db ec o r r e c t e db y s p = 一旦 堕 oo 4一 旦卜垫! 型堕o a 】a 】2 o璺丛 a 、 ( 10 0 0 s ( 喑。+ ( 1 ，坶】s o 一，) 一4 、a 、 ，2l - ，2 1 0 堕鉴壁塑垩坌鱼塑竖垫量些堕 s ：3 4 8 2 6 9 1 0 r e g e x p ( 0 1 r e g ) 一0 2 5 9 n ( 0 1 r e l ) 一3 7 9 1 0 一e x p ( 0 1 r e l ) 3 、i nt h er e c t i f i c a t i o na r e a ，t h ep r o b a b i l i t yt r a n s i t i o nm a t r i xo f t h ef l u x i s p = 100 l00 010 oo 1 0 o 一 00 0 0 - 00 lo 4 、t h el i q u i df l u xd i s t r i b u t i o ni nt h ei m p r o v e dt b r i sm o r eu n i f o r m t h a nt h a ti nt r a d i t i o n a lt b r ，a n dt h ew a l lf l u xd e c r e a s ec l e a r l y f o rt h es a m e h e i g h to fp a c k i n g ，t h el i q u i d f l u xd i s t r i b u t i o ni nt h et b rw i t ht h r e e g a s l i q u i dm o d u l a t i n g d e v i c e si sm o r eu n i f o r mt h a nt h a tw i t ht w oa n d w i t h o u t g a s l i q u i dm o d u l a t i n g d e v i c e s k e y w o r d s ：t h et r i c m e - b e dr e a c t o r ；t h ee q u a t i o no fm a r k o v ；g a s - l i q u i d m o d u l a t i n gd e v i c e ；t h e d i s t r i b u t i o no ff l o wr a t e ， 滴流床流率分布的模拟与整流 u 日u 吾 滴流床反应器是类非均相催化反应器。在这类反应器中，液相和 气相反应物同时并流向下流过装有固相催化剂的床层，并发生催化反 应。它具有压降小、处理量大、操作弹性大、反应转化率高的特点。广 泛应用于石油炼制、化学工业及环境工程中尤其是原油和各种馏分的 加氢裂解及精制过程。 滴流床反应器早在三十年代已出现，五十年代已有工业规模的应 用，目前亦有特大型滴流床反应器的工业应用报道【3 1 。这类反应器中并 存气液固三相，又有气体和产品的循环，因此，影响系统操作的因素众 多，如液体流率分布、持液量、压降、液体粘度、床层空隙率、轴相返 混等，均为设计和操作的重要参数。 其中，液体径向流率分布是模拟计算滴流床反应器的基础，其分布 状况直接影响催化剂的利用效率和使用寿命【5 1 ，因此，从五十年代末起， 国内外许多学者对滴流床的液体径向流率分布进行了一系列研究，并以 实验为基础，得到了许多有益驹结论【4 5 4 3 。“1 。 滴流床中催化剂的装填方式对流率分布影响很大，原因是在小尺度 催化剂床层，易产生壁流、沟流、偏流等非理想流动，会在局部导致床 层催化剂失活、热点、飞温。近年来的研究发现流率分布均匀性与一些 流体力学参数密切相关【4 2 1 。 流率分布均匀性的研究包括从理论上认识流体在床层中流动的内 在规律，为改善滴流床的设计及提高生产能力提供理论指导，开发出改 善床内液体流率分布的技术和装置。 作者以状念离散、时间离散的齐次m a r k o v 过程描述了滴流床在滴 流区的流动，建立了滴流床在滴流区流率分布的随机模型，其创新点在 于：i 、可直接确定任一高度下的液体径向流率分布及平衡流率分布：2 、 液体流动的概率转移矩阵可出随机堆积颗粒的统计特性确定，以参数s 滴流床流率分布的模拟与整流 修正。 在流体均匀分布的技术和装置方面，本文作者根据滴流床流率分布 的特点，开发出了滴流床流率分布的气液整流器，以规范流体的流动。 实验测定了装有不同气液整流装置的滴流床内的流率分布，证明气液整 流装置能有效改善滴流床内流体的不均匀分布，即流率分布均匀性好， 且减小壁流的效果显著。 滴流床流率分布的模拟与整流 1 文献综述 滴流床反应器在二十世纪三十年代初，主要用于甲醛和乙炔合成 生产丁炔二醇，在五十年代后主要用于大规模石油化工生产。其特点是： 床内液体流动接近于活塞流，有较高的转化率；持液量小，有效地减少 了均相副反应的发生；颗粒外表面的液膜较薄，气体扩散到催化剂颗粒 表面的阻力较小，有利于反应物向颗粒外表面的扩散，且能耗较低。但 滴流床反应器的径相传热差，易造成催化剂失活，在较低液体流率下， 易产生沟流、短路和催化剂不完全润湿【4 4 】。 滴流床反应器的广泛应用，推动了理论和应用研究的发展，对其 性能的讨论也日益加深。下面就滴流床反应器的流型分区、持液量、液 体轴向返混、压降、液体流率分布分别进行论述。 1 1 流型分区m 妇 对滴流床反应器中气液流动情况的描述是了解滴流床操作的基础， 也是处理和关联试验数据的依据6 1 。在滴流床中，当气体、液体并流向 下流过催化荆床层时，一般能观测到三个不同的流动区域：( 1 ) 气体、 液体流速都较小时，两者之间没有显著的相互作用，气体为连续相；液 体以液滴或者液膜状，沿催化剂表面涓涓流下，该流区称为滴流区。根 据催化剂的润湿程度又可分为部分润湿流区和完全润湿流区。( 2 ) 随着 气体流速的增高，液膜开始波动，气液作用逐渐增强，部分液体以雾状 悬浮于连续的气流中，催化荆表面被一层极薄的液膜覆盖，此时称为喷 射流或喷雾流。( 3 ) 在中等液速下，当气体流率比较低时，气液成滴流 和沟流流动，此时液体流动不稳定。随着气体流率的增加，液膜表面出 现波纹，并逐渐堵塞整个流道，从而形成富气区和富液区交替流过床层 的脉动流。在富气区中，气相为连续项，催化剂表面有一层液膜。在富 液区中，气体被分散在连续的液相中。 近来，c h a r p e n t i e r i 1 等人发现在气体作用f 有的液体要起泡。对发 滴流床流率分布的模拟与整流 泡流体，还存在发泡流区和发泡脉冲2 8 】流区。根据气液相互作用不同， 也可将流型区分为弱相互作用区( 滴流区) 和强相互作用区( 除滴流区 以外的其他流区) 。 鉴别流型的方法有：目视观察法吼照相法1 1 1 】；压降波动法” ；气 液传质系数突变法【7 】；表观电导波动法”】；以及根据各种变化曲线作图 判断。出于流型转变是逐渐完成的，因此，采用作图法较好。 一般说来，化学工业中和中间试验工厂中所用的气液流速都比较 小，一般处于滴流区。 1 2 持液量 持液量是滴流床反应器的主要设计参数之一，指床层内液体所占床 层体积的百分率。它决定了液相反应物的停留时间和催化剂表面的平均 膜厚，且与滴流床内的传质、传热系数以及产品转化率密切相关。 持液量分为动态持液量和静态持液量。动态持液量是指滴流床在操 作状态下突然停止供液、供气后，能够从床层自行流下的液量，用h d 表示；留在颗粒问不能自行流下的液量为静持液量，用h s 表示。 床层总持液量用h 。表示。 h r = h d + h s 影响动持液量的因素有：两相的物性( 粘度、发泡性等) 、催化剂 尺寸与形状、气液流率等。静态持液量只是颗粒尺寸的函数与气、液流 速关系不大，可认为对每种颗粒粒度而言，它是恒定的。 测定持液量的方法通常有两种： 1 、重量和容量法：在不同的床层高度，用称重或量体积的方法来 测量持液量。 2 、示踪法：在滴流床中脉冲注入示踪剂，通过测量液体在两检测 点恻的停留时问来确定持液量。 随着计算机的广1 泛应用，目前多采用示踪法。 滴流床流率分布的模拟与整流 1 3 液体轴向返混 返混是具有不同停留时间的液体的混合。在连续的反应和分离设备 中，不可避免的存在着一定程度的轴向返混，一般来说，它使滴流床的 生产能力和分离设备的效率下降。由于设备的形式、规模及气液运动方 式有差异，返混的程度也不同。 表1 1 矩量分析法传递函数法傅立叶分析法时间分析法 1 、建立数学模型1 、建立数学模型1 、建立数学模型1 、建立数学 模型 2 、对模型方程作2 、对模型方程作2 、对模型方程作2 、以数值方 l a p l a c e 变换，并l a p l a c e 变换，并傅立叶变换，并获法或解析方 获得s 域内的解获得s 域内的解得w 域内的解法获得数学 模型的解 3 、从上述解获得3 、代入不同的积3 、代入不同的积3 、与实验响 模型参数与矩量分因子s 的值，分参变量w 的值， 应曲线进行 值之间的关系获的一组不同s获得不同w 值下比较，确定目 值的积分值于模的振幅值或幅角标函数 型参数之间的关值与模型参数之 系间的关系 4 、从实验响应皓4 、从实验响应曲4 、从实验响应曲4 、以最优化 线计算矩量值，线计算不同s 值线计算不同w 值方法求取模 代入已获得的关下的积分值，代下的振幅值或幅型参数 系式中解模型参入已获得的关系角值，代入已获得 数式中解模型参数的关系式中解模 型参数 滴流床流率分布的模拟与整流 对填料塔中液相轴向混合行为的研究已有许多文献报道，早期一般 采用理想脉冲注入的实验方法，并用矩量法实测的停留时间分布曲线求 取轴向混合系数。但理想脉冲注入是难以实现的，因此一定会导致偏差。 为此，a r i s 建议采用非理想脉冲注入法，并提出了相应的矩量法计算式。 许多研究者指出，矩量法对停留时间分布益线尾部的测量随机误差十分 敏感，往往导致较大的计算误差。由此，先后提出了传递函数法、加权 矩量法、l a p l a c e 域拟合法、f o u r i e r 分析法和时间域拟合法等等，它们 在克服矩量法的缺点方面都有一定的效果。其比较见表1 1 。 扰动一响应技术是非稳定测量技术，此方法简单、快速，利用计算 机由测量数据进行参数估计，可迅速得到返混系数。 表1 2 n o 名称 参数关系式或拟合判据权函数 生 二生：三 1普通矩量法 pi u2 2t ， f 2t “ p e ：等【f 1 - 2 。k s t n 2 加权矩量法 r = ( - 一：鲁s “ e 4 t 3传递函数法 - n 硎1 - i s ，n 甜一击 e q t 4 s 一域拟合法 q = 肛o ) 一f o 目2 d s e 【 5 w 一域拟合法 q = 弘0 w ) 一g 伽 e w t 6 t 一域拟合法 q = c ，o ) _ c l o ) m 1 表1 2 列出了由非理想脉冲法的实验数据对a d p f 模型进行参数估 汁的方法。从表中看到方法1 的权函数是t ”，当t 较大时，t “值很大， 滴流床流辜分布的模拟与整漉 对停留时间分布( r t d ) 曲线尾部加权过重。尤其是当r t d 曲线拖尾 较长时，往往使估计出的参数值不准确，甚至得出没有意义的负值。方 法6 的权函数是1 ，因而整个r t d 曲线都有均匀的权。 1 4 压降 压降是指液体流过床层时的静压差，压降会影响液相传质系数的 值。前人在不同的实验条件下，考虑到不同因素对压降的影响后，得到 许多压降的经验和半经验关联式。影响滴流床反应器床层压降的主要因 素有：气液两相的流动状态、流体特性、固体催化剂颗粒特性、床层空 隙率等。压降随气、液流速的增加、颗粒半径和空隙率的减少而增大。 滴流床反应器内产生压降的主要原因有： 1 、气液、液固、气固界面的流体粘性力。 2 、流体的加速、减速引起的惯性力，气体、液体速度波动造成的 湍动。 3 、毛细管力，对发泡液体尤其显著。 4 、重力。 这些力的大小与流型有关，在高相互作用区，压降主要由气液流动 的惯性力决定；在低相互作用区，压降主要由粘性力和毛细管力决定。 1 5 流体流率分布 滴流床反应器中的液体流率分布包括床层顶部液体的初始分布和 床层中液体流率的径向及轴向分布。液体流率分布是滴流床的重要技术 性能指标，它对床层内的传质、传热及反应程度有着重要的影响。影响 液体流率分布的主要因素有：【4 。h 9 1 气液预分布情况、气液表观流速、 流体物性、催化剂颗粒的形状及大小、床层直径d t 与颗粒直径d 。之比、 颗粒和滴流床壁的润湿性能等。通常是在床层底部放置一个环形收集 器，通过收集不同径向位置的液体来测量液体径向流率分钮。表2 3 给出了备文献的实验范围，其研究内容集中于以下三个方面： 滴流床流率分布的模拟与整流 1 、取得平衡液体流率分布( 即不在随床层高度变化的分布) 所需 的床层高度，b p 研究床层的进口端效应。 2 、壁流。因靠近塔壁处空隙率较大，使得该处的液体流动与中心 区域不同。 3 、达到平衡时的液体径向流率分布情况。 一般，进料分布越均匀，达到平衡液体流率分布所需床层高度越低。 2 0 1 对于点源进料，张濂等嘲测得平衡高度z e 为塔径的4 4 倍。如果 已知液体初始进料分布，可由数学模型计算平衡高度5 。1 9 1 。 壁流w 定义为邻近塔壁区域的真实流率与床层内平均流动速率的 值( 或称为过剩流率，e x c e s sf l o wr a t e ) 。对壁流的研究报道，主要讨论 了液体物性、颗粒形状特别是塔径与催化剂直径比值对壁流的影响。 p r c h l i k 等2 0 1 认为若是d t d p ， 2 5 ，达到平衡分布时，壁流低于床层液体 总流量的1 0 ，并且可以不考虑流体物性对壁流的影响【1 3 ；h e r s k o n i t z 等 1 9 提出当d v d p 一 1 8 时，壁流的影响可以忽略，d t d p 1 8 时，环形 催化剂引起的壁流比球或者圆柱形催化剂小；另一方面，h e r s k o r t i t z 等 【1 还认为壁流随表面张力减小而减小，当表面张力低于3 8 1 0 3 卜晰， d t d p 1 2 时，可以忽略壁流；而o n d a 等提出了w 是液体流率的函 数；张濂等5 1 提出器壁润湿情况越好，壁流越大。但是大多研究者认为 壁流分率和液体流率无关。 在滴流流动时，低液速下( u l i + 1 或j n ( 1 等目。 即：厂2 矿。= ( 1 一f ) sr u 耳。 联解( 4 9 ) 、( 4 9 ) 两式可得 砟”= f 2 i e f 2 ；r t r n2 + ( 1 一f ) s ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) w 。= ( 1 一f ) s 。r ni f 2 + ( 1 一f ) s 。r u 】 ( 4 - 1 1 ) 平衡流率分布由以上两式确定，且由推导可知，模型参数s 、f 仅 影响壁流大小及径向扩散快慢，而不改变滴流流动时的平衡分布，平衡 分布为除壁流区外其它区域呈均匀流动的分布。 ( 二) 气液表观流速与模型参数的关系 图4 1 示出了在点源进料下气液表观流速与s 的关系。点源进料是 指液楣不经过液体分布器而直接由床层的中心进入滴流床，点源进料到 达平衡流率分布所需的床层高度较大。由图中可以看出：模型参数s 随 u g 的增大而单调减小，随u l 的增大也是减小的。u g 对液体径向扩散 的影响表现在：1 ) 气体对液膜有曳力。2 ) 气体表观流速有促进液体径 向扩