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固定床鼓泡反应器的流体力学行为研究及传质

2020-01-14 22:15:01来源:励志吧0次阅读

固定床鼓泡反应器的流体力学行为研究及传质特性

固定床鼓泡反应器是气液并流向上通过催化剂床层的一类固定床反应器。一般情况下,固体催化剂作为固相存在于反应器内反复利用,液相作为连续相充满在床层空隙中,气相以气泡的形式分散在液相中。有关固定床反应器的研究主要集中在床层的流体力学行为以及传质特性,其中对流体力学行为的研究包括反应器内的流型、床层的持液量、压降、轴向返混特性等。

1、固定床鼓泡反应器的优缺点简介

与其它形式的反应器相比,固定床鼓泡反应器具有很多优点:气液传质系数较大,传热性能好;循环气体的量较少,能够大幅降低气体循环成本;催化剂颗粒微孔内充满液体,使得液固接触面积大大增加,催化剂效率因子增大;催化剂床层持液量较大,液相反混显着,很容易实现均匀分布。

同时,固定床鼓泡反应器也存在很明显的缺点:首先,液相反混虽然有助于改善床层传质和传热效果,但是也会降低反应转化率;其次,床层压降较大导致气相反应物的扩散阻力较大。

2、流型分布

在固定床鼓泡反应器中,气液并流向上通过催化剂床层,由于气液流速、床层特征、分布器结构等的不同,流体在床层中的流动会表现出不同的流型。不同的流型对反应器内气液固之间的传质具有显着影响,进而影响到反应的转化率。

在固定床鼓泡反应器中,随着表观气速的变化,床层内的气泡运动状态发生改变,可以将反应器内的流型分为安静鼓泡流、脉冲流和喷射流[1]。在较小的表观气速下,气体以均匀的小气泡形式分散在液相中,反应器内呈现出安静鼓泡流状态;随着气速不断增大,床层内部产生少量大气泡,气液固之间的相互作用逐渐增大,导致床层局部发生湍动现象,此时反应器内处于脉冲流状态;随着气速的继续増大,床层内气液固三相之间产生强烈的相互作用,气泡之间不断聚合和破裂,导致床层中呈现出剧烈的液体湍动和局部液相循环现象,此时反应器内部处于喷射流状态。Achuvelly等[2]人在研究鼓泡床反应器内的流型分布时,采用了矩鞍环、拉西环和球形颗粒填料考察了床层特征对流型的影响,并给出了不同气液流速下的流型分布图,如图1所示,他们发现在整个实验范围内,流型转变主要受到气体流速的影响;而只有在中等液速条件下,液速的变化才会对反应器内流型产生比较明显的影响;另外,在相同的实验条件下小颗粒床层中的流型更容易发生转变。

图1

3、床层结构

固定床的床层结构受到填料尺寸、堆积方式等因素的影响。目前工业应用最为广泛的是随机填充的固定床,主要是因为这种堆积方式便于填料的填充与更换,这也说明了堆积方式的不同对床层性能的影响有限。对于床层结构的评价主要涉及床层空隙率,这也是除气液流速外,对床层流体力学性能影响较为突出的参数。

床层空隙率是指填料颗粒按照某种方式堆积成固定床时,床层中填料堆积的疏密程度,其数值等于填料颗粒未占据的体积与整个床层总体积之间的比值。床层空隙率是衡量床层结构的重要参数,同时对床层内部持液量、床层压降以及平均气泡直径的影响也较为突出,其计算公式为:

影响床层空隙率的因素主要有颗粒尺寸、颗粒形状、粒径分布、壁面效应等。

4、床层压降

在反应器的设计与工业过程的开发中,要尽可能的降低能耗,减少床层压降。在固定床鼓泡反应器中,床层压降主要来源于两个方面:一方面来自于流体在通过反应器床层时,气液固三相之间的相互作用;另一方面,反应器内部液相自身重量会在反应器进出口之间产生一个压降[3]。

流体流经固定床床层时会受到填料颗粒以及反应器壁面的摩擦阻力,产生一定的压力损失,压力损失主要来源于两个方面:一方面是由于颗粒对流体的曳力;另一方面来自流体在流动过程中孔道截面积突然扩大和缩小以及流体对颗粒的冲击和流体的分裂。当流体在床层内的流速较小时,床层压力损失主要来源于流体与填料颗粒之间的摩擦;而流体在床层内的流速较大时,床层的压力损失则主要来源于孔道截面积的突然扩大和缩小[4]。因此固定床鼓泡反应器内部的床层压降与流体的物理性质、填料堆积特征以及操作条件有关。

5、床层持液量

根据液体在固定床中的存在状态可将持液量分为动持液量和静持液量两种,其中动持液量是指连续不断流经床层的液体占整个固定床床层的体积分率,静持液量是指停留在滞留区、反应器壁面和填料表面的液体占整个固定床床层的体积分率。而床层持液量是指动持液量和静持液量之和。持液量与床层中液体的流动状态有关,对于床层中液体的平均停留时间的测定和计算具有一定的指导意义。另外固定床鼓泡反应器中进行的化学反应一般具有很大的反应热,而床层中流动的液体对于移除反应热有很好的效果,因此持液量对于固定床反应器的安全也有很大的影响[5]。

6、停留时间分布

在固定床鼓泡反应器中,液体可以看做是由许多独立存在的单元所组成的连续体,液相从入口进入反应器床层之后,每一个微小单元的位置随着时间不断发生变化并最终离开反应器床层。液体从流入反应器到流出反应器这一过程中,每一个流体单元在反应器床层中停留的时间是不一样的,从而形成了停留时间分布。停留时间分布是微观混合过程的宏观表现,是衡量反应器混合性能的重要参数。对于一些快速反应而言,如果化学反应所需要的时间小于反应物在反应器内部的停留时间,则会出现无法完全反应的情况,此时反应物之间的混合效果对反应的转化率和产物的选择性都有较为明显的影响。

7、鼓泡床的传质

在固定床反应器中,气体反应物需要经历气-液界面与液-固界面的传递过程,才能最终转移到固体催化剂表面进行反应。因此反应器的传质性能对反应速率以及反应的转化率具有显着影响。

影响因素主要有以下几个:

1)疏水性催化剂。固定床鼓泡反应器中,为了提高催化剂的利用率,希望催化剂始终处于完全润湿状态。这种情况下,通过改性制备疏水性的催化剂有利于降低反应过程中的传质阻力,使得气相反应物更容易扩散至催化剂表面完成反应。

2)相界面积。物料在反应器内需要经历气-液界面的传质过程才能发生化学反应,相界面积是影响传质过程的重要因素。

3)平均气泡直径。

在固定床鼓泡反应器中,气泡直径对气体流动状态、气液传质效率以及反应速率有显着影响,固定床鼓泡反应器内气泡的平均直径与气液流速、流体的物性、床层结构等有关。

本文主要介绍了固定床鼓泡反应器的优缺点,阐述了内部流型分布、床层结构、床层压降、床层持液量、停留时间分布等流体力学行为对于固定床鼓泡反应器性能的影响。在设计反应器时要对这些因素加以考虑。

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