第二章(2)气液固三相浆态床反应器

LOGO公司建成浆态床反应器中试规模实验厂应用于费托合成固相运动的三相反应器，可称为浆态反应器图1淤浆床鼓泡反应器中的流型浆态床反应器的优点使用细颗粒催化剂，消除了大颗粒催化剂粒内传质及传热对反应的影响液体滞留量大，热容量大，并且淤浆床与换热元件间的给热系数高，容易移走反应热，温度易控制，床层可处于等温状态可以在不停止操作的情况下更换催化剂催化剂不会像固定床中那样产生烧结浆态反应器的缺点液相是热载体时，要求所使用的液体为惰性，不与其中某一反应物发生任何化学反应。要求蒸气压低、热稳定性好，不易分解，并且其中对催化剂有毒的物质含量合乎要求；如进行氧化反应时，耐氧化的惰性液相热载体的筛选是一个难点。催化剂颗粒较易磨损，但磨损程度低于气—固相流化床。气相呈一定程度的返混，影响了反应器中的总体速率。浆态床反应器的流体力学流型固体完全悬浮的临界气速气含率气泡尺寸和分布鼓泡淤浆床反应器其流体力学特性与气液鼓泡反应器相同或相接近。Deckwer等发表了气体分布器工作良好情况下气液两相鼓泡反应器的流型。流型图1淤浆床鼓泡反应器中的流型流型对水—空气系统，气液鼓泡反应器的流动状态与区域图2鼓泡塔流动状态分布区区域图流型(1)安静鼓泡区，又称为气泡分散区(dispersedbubbleregime)(2)湍流鼓泡区，又称为气泡聚并区(coalescedbubbleregime)(3)栓塞区(sluggingregime)，又称节涌区。根据气泡流动的行为，可以划分出三种流动型态：流型当淤浆的性能可作为拟液体时，如颗粒直径≤50µm，且固含率不超过16％，气—液两相流动的流动状态分区图可适用于气—液—固三相鼓泡淤浆反应器。上述流型间的过渡条件与液体特性、气体分布器的设计、颗粒特性及床层尺寸等因素有关。对于高粘度的流体在很低的表观气速下可形成栓塞流。气体分布器如采用微孔平均直径低于150µm的素烧陶瓷板，当表观气速达0.05～0.08m／s时，仍为气泡分散区。当多孔板孔径超过lmm时，气泡分散区仅存在于很低的表观气速。所以，鼓泡淤浆床反应器能否使用图2流动状态分区图需视淤浆及分布器等具体情况而定。固体完全悬浮的临界气速对于鼓泡淤浆床反应器，固体完全悬浮时的临界气速是非常重要的操作参数。鼓泡淤浆反应器中操作气速一定要超过固体完全悬浮时的临界气速，才能正常操作。临界气速取决于颗粒的特性、固体的浓度、液体特性及床层特性，如床层直径与分布器直径之比，分布器的类型及开孔率，有无导流筒等因素有关。GcuGcuGcuGcuGcUGcU归纳的众多研究者关于淤浆鼓泡床临界气速的关联式是无气泡两相淤浆中固体完全悬浮时的临界固体质量浓度，slurry是无气泡时的液-固两相淤浆密度，slurry。scC3/kgm3/kgmSL固体完全悬浮的临界气速实验表明：临界气速随着颗粒在液体中的终端速度(即颗粒直径)增大而增大随着密度差（）增大和颗粒浓度增大而增大；随着床层直径增大而增大；随着液体粘度增大而增大；随着表面张力增大而减小。床层的锥形底比平底可降低值。Koide将实验数据回归，得到按空床截面积计算的固体完全悬浮的临界气速与固体颗粒在静止流体中的终端速度之比如下：578034240146060080718010.LLL.LR.SS.LLStGCgugDc.uuGcUtuSLsCL/GctuuGcUtu固体完全悬浮的临界气速由图可见，以空气为介质时值的大致范围。图5颗粒浓度对固体完全悬浮的临界气速的影响GcUsCGcU导流筒结构尺寸对具有影响，如果固体颗粒的粒度范围宽，则值有所增加。GcUGcU三相鼓泡淤浆反应器的气含率或气相分率,反映占主导的气泡尺寸与上升速度，任一反映气泡尺寸与上升速度的体系均能影响气含率。在安静鼓泡区，径向气含率的分布趋于平坦。在湍流鼓泡区，气含率在床层中心区出现最大值，沿径向逐渐降低。一般，表观气速增大，气含率增大。对于大颗粒固体，dP≥lOOµm时，随淤浆中固含率增大而减小；对于小颗粒固体，增大时，的变化不明显；液体的粘度和表面张力增加，减小。GuGGGSSGSG的专著整理了众多气—液两相鼓泡床气含率的关联式图6气液鼓泡淤浆床气含率关联式的比较Hughmark对于空气—水系统，气液两相鼓泡床气含率的关联式：131723502LLGGu.：在内径0.108m，高1.94m，用单喷嘴分布器的鼓泡反应器中进行了不含固体的气—液两相鼓泡床及含固体的三相床气含率的研究，实验表明，用不含气相的淤浆密度代替气—液鼓泡床液体密度时，Hughmark的气含率关联式可用于三相淤浆床。Koide等:在鼓泡淤浆床中，过渡区域内，分布器的设计对气含率和发生过渡流型的起始条件有影响。168088074803435411.LGR.LLS.SSLLLLLGLGGuDC.guC)(以空气为介质，常温常压，对于水及甘油和乙二醇的水溶液，＝0.227；对于无机电解质的水溶液，＝0.364。为单位体积淤浆中的固体质量，kg／m3。为气—液鼓泡塔的气含率。LCSCLC气泡尺寸与分布气泡尺寸及分布，可用摄像技术，或探头技术测量，在两相气—液鼓泡床或三相鼓泡淤浆床体系中，气泡在分布器的小孔或喷嘴处形成。当气泡上升时，它们可能因合并而增大，或因液相中的湍流剪切力而分裂成更小的气泡。在给定的条件下气泡在小孔或喷嘴处形成的尺寸大致是均一的。气泡的平均尺寸通常采用Sauter平均值(或称体积—表面积平均值)，对于一组实测的气泡直径，其Sauter平均值可用下式表示：23biibiiVSdn/dnd是尺寸为的气泡的数目可以为任意的当量直径inbid表达了对的影响与流型区域有关，在安静鼓泡区气泡平均尺寸小(6mm)并随气速增加而略有增大；在湍流鼓泡区，气泡平均尺寸大(10mm)并随气速增加而迅速增加。图8气—液鼓泡床中对的影响GuvsdGuvsdvsdvsd中，采用=0.16mm玻璃球，=0.05～10cm/s，=0.1～0.7cm/s，气体为空气,液体为水及含5％、16％、20％及50％(容积)甘油的水溶液。在常压及20℃时进行。GVSud~图9三相淤浆床的图pdGuLug///)(u)(u.dGLGGLGGVS211590实验范围为=0.8～10cm/s，＝1～6.6mPa·s，=0～0.45。GuLG气-液相界面积α可由气-液鼓泡床或三相床的平均气含率及Sauter平均直径求出，即Gvsd6/Gvsd气-液相界面积可由前面所讨论的物理方法测定气泡尺寸分布而求得，也可用化学方法，即已知动力学的气-液反应，如亚硫酸盐氧化来确定。可以看出，α明显地受到操作系统的影响，例如，当约为3cm/s时，Fukuma等所得α约为10，而Decker等在费-托合成的液体石蜡-A12O3淤浆中得到的α值约为1500。图10不同鼓泡淤浆床中α与的关系图Gu23/mm23/mmGu当压力增加时，即相当于气体密度增加，气泡的尺寸变小且分布变窄，增加了气-液相界面积，从而增加了单位床层容积的气-液传质。浆态床反应器中的传递过程在气-液-固三相反应的宏观反应过程含气-液间传质及液-固间传质过程。气相传质系数是和液相传质系数，淤浆中气-液传质面积即三相床中气泡面积α，都与三相体系的性质、流体流动状况、压力和温度等因素有关。在三相鼓泡淤浆床反应器中，大多数反应气体组分在液相介质或淤浆中的溶解度很小，气相容积传质系数常常可以忽略，而液相容积传质系数是本章讨论的主要内容。对于液固传质过程，若不计入过程中固相颗粒的磨损，单位淤浆容积中固相的体积和外表面积是固定的，一般只讨论液-固传质系数是。GKGLKeSSKGKLK气—液界面的气相容积传质系数对于高度易溶气体如烟道气中SO2溶于水，气相传质的阻力不能忽略，有关气-液鼓泡床及三相鼓泡淤浆床中气相传质系数的研究很少。Sada等在鼓泡淤浆床中对电解质淤浆测定的经验方程：GK73.09.5GGuak是气相容积传质系数，mol/[MPa·m3(不含气相的淤浆体积)·S]GK是表观气速，m/sGu气—液界面的液相传质(1)气—液界面的液相传质系数(2)气—液界面的液相容积传质系数对于气—液界面的液相传质，可分为：LKLK气—液界面的液相传质系数Calderbank和Moo—Young提出的关联式:31232LGLLCLg)(ASk的单位是cm2/s当气泡平均直径2.5mm时，A=0.31当气泡平均直径2.5mm时，A＝0.42DL为气体在液体中的分子扩散系数LK表征液体性质的Schmidt准数LLLCDS气—液界面的液相传质系数Deckwer等在研究费—托合成过程中的流体力学性质和反应器模拟时，使用上式计算，并提出连续相应为液—固两相淤浆，此时淤浆密度(g/cm3)为:LKLKSL''''(1)SLssLLsssL式中：分别为不含气相的液—固两相淤浆中固体及液体的容积分率，或不含气相的固含率及气含率。's'L对于的低浓度悬浮固体淤浆的粘度160.'S)5.41('SLSL对于高浓度的细颗粒的悬浮固体，可采用Thomas对于牛顿型流体的关联式，即)].exp(.)(..['S'S'SLSL61610732051025132上式适用于0.099≤dp≤435，≤0.60的情况mm's气—液界面的液相容积传质系数Koide等在直径DR为lO～20cm的淤浆床鼓泡反应器中，研究湍流鼓泡区气含率，也研究了，实验在常温及常压下进行，气体介质为空气，用溶氧法测定。溶氧在液体介质中的扩散系数DL×l09为0.14～