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1、1,第八章 塔式反应器,8.1概述 8.1.1塔式反应器特点及应用 8.1.2附属装置 8.2填料塔 8.2.1物理吸收 8.2.2化学吸收 8.3鼓泡塔 8.3.1鼓泡塔操作状态 8.3.2鼓泡塔流体力学,2,8.1.1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 ，其生产能力低于板式塔. 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
2、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。,3,8.1.1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 ；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传质过程控制的化学反应过程，大多用于加压操作过程 。,4,8.1.1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
3、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 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,5,8.1.2附属装置,.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 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,
4、6,8.1.2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、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.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,7,8.1.2附属装置,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，以分割液位部分空
5、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.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,8,8.2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，填料的作用除增加相界面积外，还能减少轴向混合。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,9,8.2.1物理吸收,为了计算填料高度，必须把传质速
6、度方程式和物料平衡方程式联立求解。 计算的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，时间基准可以任意取,8-2填料塔微元体积物料平衡图,10,同理,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/PU； 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
7、，kmolm-2s-1； -总压，ptPAPU，Pa； CT-液相总浓度，CTCALCU，kmolm-3。,12,对于稀溶液,LL,GG,pt-PAPt,CT-CALCT。填料层高H为,13,8.2.2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,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,填料高为,15,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
8、填料高H为,16,例8-1 例8-2,17,8.3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、气提式三种,图8-4鼓泡塔示意图,19,空心式鼓泡
9、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。,20,8.3.1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 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
10、为视均相流动区域。 (2)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，称为剧烈扰动的湍流鼓泡区，或称为不均匀湍流鼓泡区。 （3）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，而出现了栓塞气泡流动状态。,21,8.3.2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
11、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。,22,1.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 按孔口雷诺数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。,23,低气速区域 Reo400，气泡直径
12、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 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。,24,（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。 当dB0.7 mm时 式中液体粘度，Pa s 。 当1.4 mmdB6 mm时 式中V -气泡体积当量直径，m。 当dB8mm时,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,工
13、业气泡塔内，气泡上升速度多处于后两种区域内。,26,2流体力学特征,（1）气泡大小及其径向分布 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 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， 。,27,当4000Re07000时 当10000Reo50000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 对空气-水系统描述气泡直径沿径向变化的Falkov式,28,（2）气泡群的浮升速度,久保田式 Ya
14、mafita式 对空气一水 Kumar式,29,（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,30,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
15、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,32,（4）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。,33,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。,34,8.3.3鼓泡塔的轴向混合,鼓泡塔存在极大的轴向混合，此轴向
16、混合不仅降低了反应速率，且使连续操作的单个塔难以获得较高的转化率。对于工业大塔：当D2m、H/D2、G/uOG=2.5时，基本接近于理想混合；对于实验小塔，当D0.1m、H2 m、G/uOG=3时，气相较接近于活塞流。由于鼓泡塔中uOL常小于uOG ，因此只有在塔的高径比H/D很大（如H/D10)，而塔径又很小时，液相才会偏离理想混合模型。,35,8.3.4鼓泡塔传热特性,鼓泡塔内传热过程有以下特点： 给热系数a与换热面的几何形状、大小、位置、换热方式、反应器形状、塔径、液层高度、内部构件及气体性质、液体表面张力等无关，主要取决于表观气速uOG 、气含量G和液体的粘L、密度L、热容CPL ，和导热系数L。 表观气速u
