第八章__塔式反应器

1、1第八章第八章 塔式反应器塔式反应器8.1概述概述 8.1.1塔式反应器特点及应用塔式反应器特点及应用 8.1.2附属装置附属装置8.2填料塔填料塔 8.2.1物理吸收物理吸收 8.2.2化学吸收化学吸收8.3鼓泡塔鼓泡塔 8.3.1鼓泡塔操作状态鼓泡塔操作状态 8.3.2鼓泡塔流体力学鼓泡塔流体力学 28.1.1塔式反应器特点塔式反应器特点*及应用及应用 1.1.填料塔填料塔 优点：结构简单，耐腐蚀 ，轴向返混可忽略 ，能获得较大的液相转化率，气相流动压降小，降低了操作费用.(塔内流动模型接近活塞流) 缺点：液体在填料床层中停留时间短，不能满足慢反应的要求，且存在壁流和液体分布不均等问题 ，

2、其生产能力生产能力低于板式塔低于板式塔. . 应用：适用于快速和瞬间反应过程，特别适宜于低压和介质具腐蚀性的操作。 填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蚀性强及强度和润湿等性能优良。 常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍等，材质有陶瓷、不锈钢、石墨和塑料。38.1.1塔式反应器特点及应用塔式反应器特点及应用 2.2.板式塔板式塔 优点：逐板操作 ；轴向返混降到最低，并可采用最小的液流速率进行操作，从而获得极高的液相转化率 ；气液剧烈接触，气液相界面传质和传热系数大 ；板间可设置传热构件，以移出和移入热量 。 缺点：反应器结构复杂，气相流动压降大，且塔板需用耐腐蚀性材料制作 应用：适用于快速和中速的

3、传质过程控制的化学反应过程，大多用于加压操作过程 。48.1.1塔式反应器特点及应用塔式反应器特点及应用 3.3.喷雾塔喷雾塔 喷雾塔是气膜控制的反应系统，适于瞬间反应过程。塔内中空，特别适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的体系。但储液量低，液相传质系数小，且雾滴在气流中的浮动和气流沟流存在，气液两相返混严重。 . .鼓泡塔鼓泡塔 储液量大，适于速度慢和热效应大的反应。液相轴向返混严重，连续操作型反应速率明显下降。在单一反应器中，很难达到高的液相转化率，因此常用多级彭泡塔串联或采用间歇操作方式 58.1.28.1.2附属装置附属装置 . .液体喷淋装置液体喷淋装置 喷淋装置有单管喷洒、莲蓬式喷洒

4、、多孔管喷洒、盘式喷洒等多种型式 单管喷洒和莲蓬式喷洒适用于直径小于0.6m的塔 对于大型塔，宜采用多孔管喷淋和肋式喷洒 盘式喷酒装置的筛孔上保持50 200mm高的液层 简单直管型 环管型 并列多管型 树枝型 图8-1多孔管分布器示意图68.1.28.1.2附属装置附属装置 2.2.液体再分布装置液体再分布装置 为了改善塔的操作，减轻液体下流时逐渐增大的壁流现象，每隔一定距离设置一个液体再分布装置，可为倒锥形、波浪形和带升气管的筛孔再分布器，既起支承用，又起再分布作用 3.3.气体入口的布气结构气体入口的布气结构 当塔径小于0.5m时，将进气管做成向下450的切口，以免气体直接冲刷填料层。对

5、大塔，气体人塔向下方做成喇叭形扩口或多孔管气体分布器。 4.4.除沫器除沫器 可采用折流板，丝网除雾器 78.1.28.1.2附属装置附属装置 5.5.消泡和防旋板消泡和防旋板 在低液位处，由于液体流向排液口会引起旋涡，使部分气体被液体夹带而出，此情形在高压操作和使用易起泡液体时更严重，因此在液位处设置十字形竖向挡板，以分割液位部分空间，防止液体旋涡流动，有利于泡沫浮升破碎和减小液体对气体的夹带。 6.6.支承板支承板 置于器底，强度应能支承填料的质量，其自由截面不小于填料的孔隙率，可用栅形、波浪形、升气管式。栅条间距为填料外径的0.60.8，要防止局部阻力过大和液泛 88.28.2填料塔填料

6、塔 填料塔广泛应用于物理吸收和化学吸收物理吸收和化学吸收过程中。由于填料层高H比填料直径大得多，因此，填料的作用除增加相界面积增加相界面积外，还能减少轴向混合减少轴向混合。填料塔气相和液相的皮克利特数PeG、PeL往往大于100,可以假设填料塔中气相、液相均为理想置换理想置换流型。化学吸收采用的填料塔在结构上和一般吸收塔相同，塔径D的计算也基本相同 98.2.1物理吸收物理吸收 为了计算填料高度，必须把传质速度方程式和物料平衡方程式联立求解。 计算的空间基准空间基准为单位塔截面，高为dH的微元体积（dVRdH），其中相界面积为adH； 由于稳定操作，时间时间基准基准可以任意取 8-2填料塔微元

7、体积物料平衡图 10dHCCakdHppakLdXGdYALAiALAiAAGALA)()(dHCCakdHppakALAALAAAG)()(*22)()()(=)(=AtAAAAtUUAAUUAAppdppdpppGpdppdppGppGdGdY)()()()()()(222AtAAttAtAtAtAttUAtAtppdpGpppdppppGppdppppGppdppG同理ALTALALTALTALCCdCLCCdCGLLdX2)(tUppGG=TUCCLL=11 式中 -液相中惰性组分浓度，kmolm-3； p-惰性气体分压，Pa； A-气相中A物质的量气相中惰性气体物质的量，YAPA/P

8、U； XAL-液相中物质的量液相中惰性组分物质的量，XALCAL/CU； -单位塔截面上气相中惰性组分流量,kmolm-2s-1； 单位塔截面上液相中惰性组分流量, kmolm-2s-1； G-单位塔载面上气相总流量，kmolm-2s-1； -单位塔截面上液相总流量，kmolm-2s-1； -总压，ptPAPU，Pa； CT-液相总浓度，CTCALCU，kmolm-3。1221)()(20AAppAiAAtAGAtHppppakdpGpdHH21)()(*2AAppAAAtAGAtppppaKdpGp21)(*AAppAAAtAGAppppaKdpG212)-()-(ALALALAiALTAL

9、ALCCCCCCakdCTLC21)-()-(*2ALALCCALAALTALALTCCCCaKdCLC21)(*ALALCCALAALTALALCCCCaKdCL对于稀溶液,LL,GG,pt-PAPt,CT-CALCT。填料层高H为2121*ALALAACCALAALALTppAAAAGTCCdCaKCLppdpaKpGH138.2.28.2.2化学吸收化学吸收* * 反应式为 A（气）+B（液）产品。 采用逆流稳定操作。物料平衡的空间基准和时间基准与物理吸收相同 当反应局限于液膜内时，也就是对于极快反应和快反应时。图8-3逆流填料塔物料平衡图气 相 中 失 去 组 分A 的 物 质 的 量

10、=b1液 相 中 失 去 组 分B的 物 质 的 量液 相 中 反 应 掉的 A的 物 质 的 量=14 式中 -宏观反应速度。 塔内任一截面处的成分可由上式积分求得adHrbLdXGdYABAAr)()()()(211111BBUBUAUABBAACCCCbLppppGXXbLYYG填料高为2!21212)(BBAAAAXXABppAAtAtYYAAardXbLarppdpGpardYGH15 当处理稀溶液时，ptPU，CTCU，可得到微分物料平衡方程 对塔内任一截面的组分可按上式积分求得 在处理稀溶液时，填料塔填料高H为BTAtdCbCLdppG)()(11BBTAAtCCbCLpppG2

11、121BBAACCABTppAAtardCbCLardppGH16 例8-1 例8-2178.3鼓泡塔鼓泡塔 鼓泡塔是一种常用的气液接触反应设备，各种有机化合物的氧化反应都采用鼓泡塔。在鼓泡塔中，一般不要求对液相作剧烈搅拌，蒸汽以气泡状吹过液体而造成的混合已足够。 鼓泡塔的优点是气相高度分散在液相中，因此有大的持液量和相际接触表面，使传质和传热的效率较高，它适用于缓慢化学反应和强放热情况。同时反应器结构简单、操作稳定、投资和维修费用低、液体滞留量大，因而反应时间长。但液相有较大返混，当高径比大时，气泡合并速度增加，使相际接触面积减小。18鼓泡塔的分类 按结构特征，鼓泡塔可分为空心式、多段式、气

12、提式三种 图8-4鼓泡塔示意图19 空心式鼓泡塔最适用于反应在液相主体中进行的缓慢化学反应系统，或伴有大量热效应的反应系统。 当热效应较大时，可在塔内或塔外装置热交换单元，使之变为具有热交换单元的鼓泡塔。 为避免塔中的液相返混，当高径比较大时，常采用多段式塔借以保证反应效果。 为适应气液通量大的要求或减小气泡凝聚以适用于高粘性液体，使气体提升式鼓泡反应器得到应用，它具有均匀的径向气液流动速度，轴向分散系数较低、传热系数较大、液体循环速度可调节等优点。 208.3.18.3.1鼓泡塔操作状态鼓泡塔操作状态 鼓泡塔的流动状态可分为三个区域： (1)(1)安静鼓泡区安静鼓泡区 在该区域内表观气速低于

13、0.05 ms-1，气泡呈现分散状态，大小均匀，进行有秩序的鼓泡，液体搅动微弱，可称为视均相流动区域视均相流动区域。 (2)(2)湍流鼓泡区湍流鼓泡区 该区域表观气速较高，塔内气液剧烈无定向搅动，呈现极大的液相返混。部分气泡凝聚成大气泡，气体以大气泡和小气泡两种形态与液体接触，大气泡上升速度较快，停留时间较短，小气泡上升速度较慢，停留时间较长，因此，形成不均匀接触的流动状态，称为剧剧烈扰动的湍流鼓泡区烈扰动的湍流鼓泡区，或称为不均匀湍流鼓泡区不均匀湍流鼓泡区。 （3 3）栓塞气泡流动区）栓塞气泡流动区 在d0.15m的小直径气泡塔中，在较高表观气速下，由于大气泡直径被器壁所限制，而出现了栓塞气

14、泡流动状态。218.3.28.3.2鼓泡塔流体力学鼓泡塔流体力学 在气液鼓泡塔中，由于传递性能的优劣决定于气泡运动的状况，因此，需要了解气泡的大小、气泡生长及运动的规律，以了解液相内的气含量及气液相界面状况，从而掌握气液相间白的传质、传热和因气泡运动引起的液相纵向返混问题。 气体在液体中的溶解速率和其分散程度有关，分散程度愈高，溶解速度愈大。分散程度可用气泡的平均直径、气体的滞留量或比表面表示。221.1.单孔气泡的形成及浮升单孔气泡的形成及浮升 气泡的大小取决于气体通过孔的流率、孔径d。大小、流体的性质等，而气泡浮升速度又和气泡直径dB及流体物性等因素有关。 (1)气泡直径气泡直径dB 按孔

15、口雷诺数Reo大小可分为三个区域 孔口雷诺数 ，孔径 式中uG-气体在塔中上升速度，s-1； G、-气体、液体密度，kgm-3； -表面张力，Nm-3； G-气体粘度，PaS。GGGud00=Re)(6=0GLgd23 低气速区域低气速区域 Reo400，气泡直径dB由气泡所受浮力等于孔周边对气泡附着力求得。 气泡直径 气泡无合并及分裂，设为球形，按原样上升 中等流速区域中等流速区域 400Re05000，气泡以连珠泡状向上均匀运动，但直径dB增大。 对空气一水系统 高气速区域高气速区域4000Re0 ，气泡平均直径随Re0增加而下降，系因大气泡本身不稳定而破碎为许多小气泡所致。310)(82

16、. 1GLBdd310210Re0287. 0=ddB24（2）气泡浮升速度）气泡浮升速度ut 气泡所受浮力与阻力相等，气泡作稳定状上升，上升速度随气泡直径变化。 当当dB0.7 mm时时 式中液体粘度，Pa s 。 当当1.4 mmdB6 mm时时 式中V -气泡体积当量直径，m。 当当dB8mm时时LgduGLBt18)-(22/1)2(35. 1=Lvtdu2/1)(67. 0=ctgru2/1)2(02. 1=vtdgu式中-笠帽形气泡的曲率半径，m。25对低粘度液体，气泡上升速度2/1)2+2(=vvtgdLdu工业气泡塔内，气泡上升速度多处于后两种区域内。262流体力学特征流体力学

17、特征 （1）气泡大小及其径向分布）气泡大小及其径向分布 对塔径不超过对塔径不超过0.6m的气泡塔的气泡塔 计算气泡群平均气泡大小dvs的Akita准数关联式 式中 dvs-大小不等的气泡的比表面积当量平均直径，； rL-液体运动粘度， 。 12. 012. 0235 . 02)()()(26=gDurgDgDDdOGLLvs27 当当4000Re07000时时 当当10000Reo50000时时，对空气-水系统，当孔径do0.41.6 mm时 dvs0.0071Reo-0.05 用水的平均气泡大小dvs,w对其他物料进行换算的换算式 塔内气泡大小沿塔的径向气泡直径分布塔内气泡大小沿塔的径向气泡

18、直径分布 对空气-水系统描述气泡直径沿径向变化的Falkov式4/1204 . 00)(Re100gdDdGLvs24. 05 . 026. 0,)()()(=wLwLwwvsvsrrdDd410)2 . 59(RrdB28（2 2）气泡群的浮升速度）气泡群的浮升速度 久保田式 Yamafita式 对空气一水 Kumar式)(0167. 0180. 216. 22)1 (73. 027. 0GGBgdGtBuu3/133)12+(1 . 1=DDuuOGB324/1200008. 0+0045. 0+116. 0+4 . 1=)(OGOGOGLGBuuuu29（3）气含量）气含量 气含量是指塔

19、内气液混合物中，气体所占的平均体积分率，即是气体在分散系统中的体积分数。影响气含量的因素有液体的表面张力、粘度和密度等，当气体空塔速度增加时，气含量随之增加。对一定物系，当空塔气速uOG达到某一定值时，由于气泡的汇合，反使含气量G下降 对于塔径大于15cm的气泡塔，Yoshida-Akita的气含量关联式为 对于直径小于0.15m的气泡塔，采用Hughmark图确定气含量值 )()()()1 (2/112/1228/124DgugDgDCOGLLLGG30图8-5气含量关系图31 对于粘度小于0.2Pas的低粘性和气泡易于合并的液体，可采用关联式 对于气泡不合并的液体，如某些表面活性剂溶液和高

20、粘性非牛顿型液体，其气含量需在塔径大于0.15m的实验塔中测定，以得到可靠的数值 气含量沿半径的变化可用下式表示107. 0062. 0131. 034578. 0)()()()(672. 0=LGLGLLLOGGguuuGGRr)(1 2232（4 4）比表面）比表面 比表面为单位体积分散系统中的相际表面积，鼓泡塔比表面a可由气含量和气泡直径确定，其计算式为 在不同气速范围内，已知气含量和气泡大小，即可求得比表面。 式中0-静液层高度； 液体模数。 此式适用于uOG0.6 ms-1。 ，5.7105K1011的条件，误差范围在15%以内。vsGda6=GKDHa003. 03 . 00)(26. 0=43=LLgK242 . 20DH33 例8-3塔径为0.5m的空心气泡他，空气-水系统，空气加入量为52Nm3h-1，试计算平均气泡直径、气含量和比表面。 348.3.3鼓泡塔的轴向混合鼓泡塔