鼓泡塔反应器综述.doc

鼓泡塔反应器综述摘要：本文在调研的基础上，对化工生产中常用的鼓泡塔反应器进行综合叙述。从鼓泡塔的基本概念、起源发展、结构、流体力学特性、传质和传热、简化模型、设计及应用等方面进行综述，以便于更好的利用和开发。Abstract: in this paper, on the basis of investigation, the chemical production in the bubble column reactor for a comprehensive description. Summarize on basic concept, the origin and development of bubbling tower, structure, hydrodynamics, mass transfer and heat transfer, a simplified model, design and application, to use and develop better.前言用于进行化学反应的设备称为化学反应器，简称反应器。化工生产中所用的反应器内部进行的是伴有传质、传热和物质流动的化学反应过程，结构复杂，有时也称为工业反应器。按其结构特征来分，可分为管式反应器、釜式反应器和塔式反应器;按操作方法来分，可分为间歇、连续和半间歇反应器;按物料相态来分，可分为均相反应器和非均相反应器，均相反应器又有气相和液相两类，非均相反应器又分为气液、气固、液液、液固、气液固等反应器。按固体颗粒(固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂)状态来分，可分为固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器等。另外，还有一些分类方法，如按反应器内温度分布分类，可分为等温和非等温反应器;按反应器和外部之间换热来分，可分为绝热反应器和非绝热反应器等。化学反应器是化工装置的重要设备之一，其设计是否科学、合理，其运行是否安全、可靠，直接关系到整套装置的安全性和经济效益。反应设备虽然种类繁多,但对其要求是共同的主要有以下几点:技术指标先进,即转化效率高处理量大,能耗低;使用方便,操作稳定,容易调节,易于清理和检修;结构简单,节省材料,造价低廉,制造安装方便。了解化学反应器发展的现状，进一步研究和开发新型实用的化学反应器具有重要的现实意义。本文就鼓泡塔反应器的概念、起源与发展、结构、流体力学、应用范围等进行综述，以便于更好的利用和开发。1 鼓泡塔的概念鼓泡塔(Bubble Column Reactor)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。以其结构简单、无机械传动部件、易密封、传热效率高、操作稳定、操作费用低等优点,被广泛应用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化、费-托合成、废气和废水处理、煤的液化及菌种培养等工业过程。特点：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。2 鼓泡塔的发展20世纪70年代以后，有关鼓泡塔的研究日益活跃，除标准型鼓泡塔外，又开发了各种各样的改型鼓泡塔（射流喷射型、气液下流型、双管式、多段式、填充式等）和悬浊鼓泡塔等。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 3.1简单鼓泡塔的基本结构图2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。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：（1）保证反应过程的最佳选择性；(2）保证反应器体积最小。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。 3.2气体升液式鼓泡塔图3 气体升液式鼓泡塔1-筒体；2-气升管；3-气体分布器塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。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特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多。简单鼓泡塔中气体空塔速度不超过1m/s，气体升液式鼓泡塔中气升鼓泡管内气体空管速度可高达2m/s，换算至全塔截面的空塔气速可达1m/s，其液体循环速度可达12m/s。3.3空心式图4 空心式鼓泡塔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。3.4多段式鼓泡塔反应器图5 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。4 鼓泡塔反应器的操作状态鼓泡塔内流体的流动情况比较复杂，气体的鼓入方式多种多样，气速的大小有高有低，有的单独鼓入，有的与液体一起鼓入或喷入。液体有流动的（连续式），有不流动的（半间歇式）。在连续操作的塔中，液体与气体有逆流的，有并流的，气液的流动会相互影响。塔内的内部构件导流管、障板、挡板、筛板、换热器等，也会影响气体和液体的流动状态及气液两相的接触状态，从而影响反应器的传递特性和反应结果。下面，仅就一般及典型的情况作出说明和描述，在实践中指导分析和改进鼓泡塔的操作，改善鼓泡塔的结构和塔内流型，提高反应器的收率和生产能力。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：图6 鼓泡塔流动状态分布区区域图表观气速低于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，液体搅拌并不显著。在安静区操作，既能达到一定的气体流量，又可避免气体的轴向返混，很适用于动力学控制的慢反应。此时，气泡呈分散状态，气泡大小均匀，行有秩序的鼓泡，目测液体搅动微弱。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。在湍动区气泡大小不均匀，大气泡上升速度快，小气泡上升速度慢，停留时间不等，加之无定向搅动，不仅呈极大的液相返混，也造成气相返混。栓塞气泡流动区：小径气泡塔，高表观气速下出现此状态。由于器壁限制了大气泡直径。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。连续操作的鼓泡塔反应器，当其长径比（塔高/塔径）比较小，气速又比较高时，液相的流动状态接近理想混合；长径比比较大但液体停留时间长、循环速度快时亦可视为理想混合；当长径比比较大，气速又较高时，气体接近理想置换流型。气液的激烈搅拌有利于气液表面的更新，有利于传质和传热的进行，使反应器内温度分布均匀，但返混的存在会影响转化率并对一些反应的选择性有不利影响。例如环己烷氧化制环己酮、环己醇，丁烷氧化制甲乙酮，目的产物均为氧化的中间产物，极易进一步氧化为酸，为提高反应的选择性，应使液体的流动接近活塞流，而且要在低转化率下操作。为降低流动的返混程度，可在鼓泡塔内装设水平多孔隔板或挡板，或者填装填料，或者将鼓泡塔做出多级。5 鼓泡塔反应器的流体力学特性鼓泡塔内气液尺寸的大小、气泡的上升速度、床层的含气率、相界面积等参数，反应流体在塔内的流动状态，对于分析、操作和计算鼓泡塔反应器具有重要意义。 5.1气泡直径鼓泡塔内的气泡有两种形成机制，当气速比较低时，靠分布器的小孔分散成气泡；当气速较高时，靠液体的湍动使喷出的气流破裂形成气泡。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。在安静区，因为气泡上升速度慢，所以小孔气速对其大小影响不大，主要与分布器孔径及气液特性有关。在湍动区，气泡是靠气流与液体之间的喷射、冲击和摩擦而形成。因此在这种鼓泡塔内，气泡的形状、大小和运动是各式各样的，是瞬息万变的，是随机的，形成大小不一的气泡群。鼓泡反应器的气泡直径可按Akita准数关联式计算：可用下式描述气泡直径沿径向的变化：dB塔内直径d处的气泡平均直径5.2含气率单位体积鼓泡床（充气层）内气体所占的体积分数称为含气率。液体不流动时的含气率称为静态含气率；液体连续流动时的含气率称为动态含气率。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。对圆柱形塔来说，由于横截面一定，因此气含率的大小意味着通气前后塔内充气床层膨胀高度的大小。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。溶液里存在电解质时会使气液界面发生变化，生成上升速度较小的气泡，使气含率比纯水中的高15%20%。空塔气速增大时，G也随之增加，但OG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。当OG0.05m/s时，G与塔径D无关。（因此实验室试验设备的直径一般应大于0.15m，只有当OG0.05m/s时，才可取小塔径。含气率是个重要参数，它反映的大小还影响到单位体积床层所具有的相界面积，以及气液两相在床层中的停留时间，从而影响传质过程和化学反应结果。 对于塔径大于15cm的鼓泡反应器，气含率关联式为：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7：图7 气含率关联图5.3气液比相界面积气液比相界面积是指单位气液混合鼓泡床层体积内所具有的气泡表面积，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。5.4鼓泡塔内的气体阻力P鼓泡塔内的气体阻力由两部分组成：一是气体分布器阻力，二是床层静压头的阻力。5.5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。6 鼓泡塔反应器的传质、传热特性6.1鼓泡塔的传质鼓泡塔反应器内的传质过程中，一般气膜传质阻力较小，可以忽略，而液膜传质阻力的大小决定了传质速率的快慢。当鼓泡塔在安静区操作时，影响液相传质系数的因素主要是气泡大小、空塔气速、液体性质和扩散系数等；而在湍动区操作时，液体的扩散系数、液体性质、气泡当量比表面积以及气体表面张力等，成为影响传质系数的主要因素。鼓泡塔的气膜传质分系数可按如下关联：液膜传质分系数可按下式关联：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：6.2鼓泡塔的传热鼓泡塔中的传热，通常以三种方式进行：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。鼓泡床中由于气泡的运动，床层中的液体剧烈扰动。流体对换热器壁的给热系数比自然对流给热系数大10余倍之多，通常它不成为热交换中的主要阻力。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气相与液相均为全混流，符合搅拌鼓泡反应器的情况，如果是连续操作，则浓度变化为：如果是半间歇操作，则：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8：图8 鼓泡塔气相混合对反应器高度的影响8 搅拌鼓泡反应器适用于气体与黏性液体或悬浮溶液的反应系统，气体的分散主要靠机械搅拌，反应器操作可靠，放大容易，可以方便地半间歇式操作。但功率消耗较大，严重的气液相返混，转动轴密封和稳定性等问题。广泛应用于发酵、生物化学、制药以及有机化合物的氧化、加氢、氯化等生产过程。另外，湿法冶金和废水处理也常用这种反应器。按气体导入方式分三种（图9）：图9 搅拌反应器类别示意图强制分散：气体由搅拌器下的各种静态予分布装置（如分气环，多孔烧结板）导入。自吸分散：借搅拌桨旋转形成的低的背压，使气体经中空轴由液面上方吸入。表面充气分散：借快速表面搅拌形成的旋涡，夹带气体而使液体表面充气；并由处于下方的轴流型搅拌器使气液混合均匀。搅拌器形式：盘式涡轮；斜式平板桨；螺旋桨。搅拌器作用：液体混合，气体分散。图10 三种搅拌器液体循环示意图9 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