第八章塔式反应器

第八章 塔式反应器概述塔式反应器特点及应用附属装置Evaluation

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Aspo8s.e2.填Sl料i塔des

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20084.-22.10物11理A吸s收pose

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Ltd.8.2.2化学吸收鼓泡塔鼓泡塔操作状态鼓泡塔流体力学128.1.1塔式反应器特点*及应用1.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Ev层a中lu停a留ti时o间n短on，l不y.能满足慢反应的ed

wit要h求A，s且po存s在e.壁S流li和d液es体f分o布r

不.N均E等T

问3.题5

C，l其i生e生n产t能Pr力ofile低于板式塔.应用：C适op用y于ri快g速ht和2瞬0间04反-应20过1程1

，As特p别os适e宜P于ty低L压t和d.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2.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E；va气l液ua剧ti烈on接o触nl，y气.液相界面以移出和移入热量。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传质过程控制的化学反应过程，大多用于加压操作过程。ed

with传A质sp和os传e热.S系li数de大s

f；o板r.间N可ET设3置.5传C热li构en件t，ProfileCopyright

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Ltd.8.1.1塔式反应器特点及应用3.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Ev体al系ua。ti但o储n

o液n量ly低.，液相传质在，气液两相返混严重。４.鼓泡塔ed

with系A数sp小os，e.且S雾li滴de在s

气fo流r

中.N的ET浮3动.5和C气li流en沟t流Pr存ofile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Copyright

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Ltd.48.1.2附属装置１.液体喷淋装置喷淋装置有单管喷洒、莲蓬式喷洒、多孔管喷洒、盘式喷洒等多种型式塔层并列多管型

树枝型5单管喷洒和莲蓬式喷Ev洒aluation

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wit适h用A于sp直o径se小.于Sl0i.6dme的s

for.简N单E直T管3型.5

Cl环i管e型nt

Profile对于大Co型p塔yr，i宜gh采t用2多004-2011

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Ltd.孔管喷淋和肋式喷洒盘式喷酒装置的筛孔上保持50~

2

0

m高的液图8-1多孔管分布器示意图68.1.2附属装置2.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Ev、al波u浪at形io和n带on升l气y.管的筛孔再分布器，既起支承用，又起再分布作用ed

wi•th3.A气sp体os入e口.S的li布de气s结fo构r

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Profile当塔Co径py小r于ig0h.t5m2时00，4将-2进01气1管As做po成s向e

P下t4y5L0的td切.口，以免气体直接冲刷填料层。对大塔，气体人塔向下方做成喇叭形扩口或多孔管气体分布器。4.除沫器可采用折流板，丝网除雾器78.1.2附属装置气体的夹带。5.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Ev，al以u分at割io液n位on部ly分.空间，防止液ed

with体A旋sp涡os流e动.S，li有de利s于fo泡r沫.N浮E升T

3破.碎5

和Cl减ie小nt液P体ro对file6.支Co承py板right

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Ltd.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0.6~0.8，要防止局部阻力过大和液泛88.2填料塔填料塔广泛应用于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E作va用lu除at增io加n

相on界ly面.积外，还ed

wit能h

A减sp少os轴e.向Sl混id合es。f填or料.N塔ET气3相.5和Cl液ie相nt的P皮rofile克利Co特py数riPgeGh、t

P2e0L0往4-往20大11于A1s0p0o,s可e

P以ty假L设td填.料塔中气相、液相均为理想置换流型。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8.2.1物理吸收

由于稳定操作，时间基准可以任意取△τ

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。计算的空间基准为Ev单aluation

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wi位th塔A截sp面os，e高.S为liddHes

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Profile的微元Co体py积r（igdhVtR＝2004-2011

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Ltd.dH），其中相界面积为adH；98-2填料塔微元体积物料平衡图同理Evaluation

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Ltd.1011XAL＝CAL/CU；式中ＣＵ-液相中惰性组分浓度，kmol·m-3；pＵ-惰性气体分压，Pa；

ＹA-气相中A物质的量／气相中惰性气体物质的量，YA＝PA/PU；XAL-液相中Ａ物E质v的al量u／at液i相on中o惰n性ly组.分物质的量，ed

w•ith

AＧs-p单o位se塔.截Sl面i上de气s相f中or惰.性N组ET分3流.量5,Cklmoile·nmt-2·Prso-1f；ileＬC—op单y位ri塔g截ht面2上0液04相-中20惰1性1组A分sp流o量se,kPmtoyl·Lmt-d2·.s-1；G’-单位塔载面上气相总流量，kmol·m-2·s-1；Ｌ’-单位塔截面上液相总流量，kmol·m-2·s-1；ｐｔ-总压，pt＝PA＋PU，Pa；CT-液相总浓度，CT＝CAL＋CU，kmol·m-3。对于稀溶液,L"≈L,G"≈G,pt-PA≈Pt,CT-CAL≈CT。填料层高H为Evaluation

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Ltd.128.2.2化学吸收*反应式为A（气）+B（液）→产品。采用逆流稳定操作。物料平就是对于极快反应和快反应时。衡的空间基准和时间基Ev准a与luation

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w物it理h吸A收sp相o同se.Slides

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Profile当反应局Co限p于yr液i膜gh内t时2，00也4-2011

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Ltd.图8-3逆流填料塔物料平衡图13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Evaluation

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Ltd.填料高为14•

当处理稀溶液时，pt≈PU，CT≈CU，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Evaluation

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Profile在处理C稀op溶y液ri时g，ht填2料0塔04填-料20高1H1为Aspose

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Ltd.1516例8-1例8-2Evaluation

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Ltd.178.3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E气v相al高ua度ti分o散n

o在n液ly相.中，因此有ed

wit大h的A持sp液os量e.和S相li际de接s触fo表r面.N，ET使3传.5质C和li传e热nt的P效rofile率较高Co，py它ri适g用ht于2缓00慢4-化20学1反1

A应s和po强se放P热ty情L况td。.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。鼓泡塔的分类按结构特征，鼓泡塔可分为空心式、多段式、气提式三种图8-4鼓泡塔示意图Evaluation

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Ltd.1819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Ev返al混ua，t当io高n

径on比ly较.大时，常采ed

wi用th多A段sp式os塔e.借S以li保de证s反fo应r效.N果ET。3.5

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Profile为适应Co气py液ri通g量ht大2的00要4-求20或1减1

A小s气po泡se凝P聚ty以L适td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。208.3.1鼓泡塔操作状态鼓泡塔的流动状态可分为三个区域：(1)安静鼓泡区

在该区域内表观气速低于0.05

m·s-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。(2)湍流鼓泡区E该va区l域ua表t观io气n速o较nl高y，.塔内气液剧烈上升速度较快，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，称为剧烈扰动的湍流鼓泡区，或称为不均匀湍流鼓泡区。ed

wit无h定A向s搅po动s，e.呈S现li极d大es的f液o相r

返.N混E。T

部3.分5气C泡li凝e聚nt成P大r气ofile泡，气C体op以y大ri气g泡ht和2小0气04泡-两20种1形1

态As与p液os体e接P触ty，L大t气d.泡（3）栓塞气泡流动区

在d≤0.15m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，而出现了栓塞气泡流动状态。218.3.2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E握va气lu液at相i间on白o的nl传y.质、传热和因ed

wi气th泡A运s动po引se起.S的l液id相es纵f向or返.混NE问T题3.。5

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Ltd.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。1.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dB式中uG-气体在塔中上升速度，ｍ·s-1；ρG、ρＬ-气体、液体密度，kg·m-3；σ-表面张力，N·m-3；μG-气体粘度，Pa·S。Evaluation

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w•it按h孔As口p雷os诺e.数SlReiod大es小f可or分.为NE三T个3区.5域Client

Profile孔口雷Co诺py数right

2004-2011，A孔sp径ose

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Ltd.22•①低气速区域

Reo＜400，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，Ev设a为lu球a形ti，o按n原on样l上y.升ed

w•i②th中A等sp流o速se区.域Slides

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Profile400＜CReo0p＜y5r0i00g，ht气2泡0以04连-珠20泡1状1向A上sp均o匀se运P动t，y

但Lt直d径.dB增大。对空气一水系统

③高气速区域4000＜Re0，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。23（2）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。①当dB＜0.7

mm时•式中ｄV

-气泡体积当量直径，m。③当dB＞8mm时Evaluation

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w•it式h中AμsＬp—o液se体.粘Sl度i，dePsa

sf。or

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Profile②当1C.o4pmymr<diBg＜h6tm2m时004-2011

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Ltd.式中ｒｃ-笠帽形气泡的曲率半径，m。24对低粘度液体，气泡上升速度工业气泡塔内，气E泡v上al升u速at度i多on处o于n后ly两.种区域内。ed

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Ltd.252．流体力学特征（1）气泡大小及其径向分布①对塔径不超过0.6m的气泡塔计算气泡群平均气泡大小dvs的Akita准数关联式Evaluation

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Profile式中Copyright

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dvs-大小不等的气泡的比表面积当量平均直径，ｍ；rL-液体运动粘度，。26②当4000＜Re0＜7000时

当10000＜Reo＜50000时，对空气-水系统，当孔径do＝0.4~1.6

mm时odvs＝0.0071Re

-0.E0v5

aluation

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w•it用h水A的sp平o均se气.泡Sl大i小dedvss,fwo对r其.他NE物T料3进.5行C换l算ie的n换t算Pr式ofileCopyright

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Ltd.③塔内气泡大小沿塔的径向气泡直径分布对空气-水系统描述气泡直径沿径向变化的Falkov式27（2）气泡群的浮升速度①久保田式②Yamafita式Eva对lu空at气io一n

o水nly.ed

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Ltd.③Kumar式28（3）气含量

气含量是指塔内气液混合物中，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G

②对于直径小于0.15m的气泡塔，采用Hughmark图确定气含量值定值时，由于气泡的Ev汇a合lu，a反ti使o含n气on量lεy下.降29ed

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①对于塔径大于15cm的气泡塔，Yoshida-Akita的气含量关联式为Copyright

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Ltd.图8-5气含量关系图Evaluation

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Ltd.30

③对于粘度小于0.2Pa·s的低粘性和气泡易于合并的液体，可采用关联式非牛顿型液体，其气含量需在塔径大于0.15m的实验塔中气含量沿半径的变化可用下式表示ed

wit测h定A，s以po得s到e.可S靠li的d数es值for

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Profile对于气泡不合并的液Ev体a，lu如a某ti些o表n

面on活l性y.剂溶液和高粘性Copyright

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Ltd.31（4）比表面式中Ｈ0-静液层高度；Ｋ—液体模数。，5.7×105＜K＜1011此式适用于uOG≤0.6

m·s-1。的条件，误差范围在±15%以内。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，Ev已a知lu气a含ti量o和n

气on泡l大y.小，即可求得比ed

wi表th面A。spose.Slides

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Ltd.32

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52Nm3·h-1，试计算平均气泡直径、气Ev含al量ua和ti比on表on面ly。.ed

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Ltd.33348.3.3鼓泡塔的轴向混合Gε

/uOG=2.5时，基本接近于理想混合；对于实验小塔