塔式反应器课件

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1、1,第五章 塔式反应器,参考文献: 兰州石油机械出版社 主编 中国石油化工出版社出版,2,本章内容,1. 填料塔内部构件,填料特性,流体力学特性 物理吸收,化学吸收 2 板式塔结构，特性，适用性 3. 降膜反应器, 喷雾反应器特点 4. 鼓泡塔鼓泡塔流动力学,3,一、塔式反应器特点及应用,1填料塔-快速和瞬间反应过程，特别适合与低压和介质具有腐蚀性的操作。 2板式塔-中速和快速反应过程。大多采用加压操作，适用于传质过程控制的加压反应过程。 3喷雾塔-瞬间反应过程，适合于有污泥，沉淀和生成固体产物的体系，气膜控制的反应系统，气液两相返混严重。 4鼓泡塔-储液量大，适合于速度慢和热效应大的反应，但

2、液相返混严重。适合于采用间歇操作方式。,5.1 概述,4,快 反 应,慢 反 应,瞬间反应,中速反应,5,（1）应具备较高的生产强度 （a）气膜控制情况 气相容积传质系数大的反应器： 液体高度分散； 气体高速湍动。 气相为连续相，液相为分散相,二、工业生产对气液反应器的要求,6,（b）快速反应情况 反应基本上是在界面近旁的液膜中进行 要求反应器：表面积较大，具备一定的液相传质系数 适合反应器：填料反应器和板式反应器,7,（2）有利于反应选择性的提高 平行副反应：如主反应快于副反应，则采用储液量较少的反应设备 连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇,连串反应产物为主产物，反应速度很慢， 适合反应

3、器型式？,8,（3）有利于降低能量消耗 反应热的回收，压力能的回收，分散液体所需要的动力。 （4）有利于反应温度的控制 降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难 （5）应能在较少流体流率下操作 填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。,9,气液反应器的形式和特点,10,5.2 填充床反应器（packed column reactor),L,L,G,G,用于气液反应时，也可以并流操作,填料塔的塔体横截面有 圆形，矩形及多边形等， 但绝大部分是圆形。,11,乱堆或整砌,壁流 轴向返混可忽略,12,详细说明：塔器采用铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、塑料板、碳钢内衬、热喷涂防腐材料制造填料塔、筛板塔、

4、浮阀塔、精馏塔 制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯 产量0.5-6500万吨年系列产品，填料塔 塔径：0.25-4.5（m） 塔高：6-28（m）,13,拉西环,陶瓷波纹填料,矩 鞍环,鲍尔环,海尔环,球形填料,聚丙烯球,共 轭环,填料（packings）,14,格利奇(Glitsch)填料,麦拉派克 (Mellapark)填料,15,(1) 鲍尔环填料具有低压降、通量大、效率高的特点。应用： 适用于各种分离、吸收、脱吸装置、常减压装置、合成胺脱碳、脱硫系统、乙苯分离、异辛烷、甲苯分离。 (2) 改型鲍尔环:高径比为0.2-0.4，取消了阶梯环的翻边，采用内弯弧形筋片来提高

5、填料强度，在乱堆时有序排列，流道结构合理，压降低，在处理能力和传质性能上均有所改善 。,16,(3) 阶梯环: 吸取了短拉西环的优点而对鲍尔环的改进。减少了气体通过床层的阻力，并增大了通量，填料强度较高，由于其结构特点，使气液分布均匀，增加了气液接触面积而提高了传质效率。 (4) 马鞍环:低压降、通量大、传质效率高。应用： 蒸馏、气体吸收、再生及脱吸系。,17,液体喷淋装置,有单管喷洒，蓬式喷洒， 多孔管喷洒，盘式喷洒等,18,液体再分布器,作用: 减轻液体流动时， 逐渐增大的壁流现象。,如令每段填料层的高度为Z， 塔径为D，对乱堆拉西环， 取,随着填料性能的改进，,之值可增大， 该值一般在3

6、至10之间。,19,气体入口布气结构,作用：防止气体直接冲刷填料层。 当塔径小时,将进气管做成向下45的切口, 以免气体直接冲刷填料层。对大塔，气体入塔向下方做成喇叭形以扩大或多空管气体分布器。,20,除沫器,气体流过曲折通道时， 气流中夹带的液滴因 惯性附于折流板壁， 然后流回塔内。,21,支承板,栅条间距为填料 外径的0.60.8倍,22,消泡和防旋板,作用：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。,23,发展历史:,早期以碎石为填料，碎石比表面积小，空隙率低，堆积密度大，造成塔体很重，逐渐暴露出其缺点。 随着填料塔塔径的增大，塔内气液分布不匀现象更趋严重。“放大效应”

7、，或称“放大问题”。 改进塔顶液体原始喷淋的均匀性，多设喷淋点，在填料层中设置液体再分布器及控制塔径与填料尺寸的比值等。 此外，人们对于填料形状对减小沟流的作用已给予了足够的重视。,24,填料塔适用于： 1. 真空操作的精馏，产生泡沫的物料。 填料对泡沫有限制和破碎的作用。 2. 对于超小型的塔填料塔更有优势,塔径在2.5以下。 对于塔径在2.5以上，一般选择板式塔。 3. 对于高腐蚀性的物料精馏。 但冷却移除反应热或溶解热时，结构复杂化。 比较：高效填料材料的使用，使填料塔相对于板式塔的效率可以以10倍计。 板式塔不宜堵塞，填料塔则不然，所以有串连的做法,25,填料特性的评价,（1）比表面积

8、 塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。 须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。 （2）空隙率 塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m3/m3。 u-空塔气速; u1气体在填料层孔隙内流动的真正气速。 （3）塔内单位体积具有的填料个数 根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料，即 可确定塔内需要的填料数量。,26,填料塔的流体力学性能,主要包括填料层的压降、持液量、液泛、填料表面的润湿及返混等。,27,当L=0时, p u 1.8.0,因L3L2L1,A点称之“载点”（loading point） B点称为“泛点”,28,液泛,在泛点气速下，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定

9、，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。,29,液体喷淋密度:指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/m2h）。,式中 U min 最小喷淋密度，m3/（m2h）； (LW) min 最小润湿速率，m3/（mh）； a 填料的比表面积，m2/m3。,最小润湿速率:在塔的截面上，单位长度的 填料周边的最小液体体积流量。,30,直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率 (LW)min=0.08 m3/（mh）；对于直径大于 75mm的散装填料， (LW)min =0.12 m3/（mh）。,填料表面润湿性能与填料的材质有关。 常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言， 以

10、陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。 喷淋密度过小增大回流比或采用液体再循环； 采用减小塔径予以补偿； 金属、塑料材质的填料表面处理方法。,31,塔径计算,式中V气相体积流量，m3/s u操作空塔气速，m/s,32,填料塔逆流操作时的持液量,1.动持液量：在填料塔正常操作时突然停止喷淋液体和输入气体，由填料层流出的液体体积与填料层体积之比。 2.静持液量：当停止喷淋液体和输入气体后经过一段时间仍然滞留在填料层内的液体体积与填料层体积之比。,静持液量Hs、动持液量Ho 总持液量Ht,适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益。,33,气液传质面积,干填料比表面积为a，润湿的填料比表

11、面积为aw,式中液体表面张力，N/m； C填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m。,液体空塔质量通率，kg/(sm2)；,，,液体的粘度，Ns/m2和密度，kg/m3。,34,气液传质系数的经验关联式液相传质系数,计算kL的关联式。 （7-3） 式中 k L液相传质分系数， kmol/sm2（kmol/m3）； dp填料的名义尺寸，m。 GL液相质量流速，kg/(sm2)。,35,计算气相传质系数 kG的关联式,36,轴向混合对传质过程的影响,轴向混合对塔内气液浓度分布曲线的影响,由于返混，塔内气液浓度随塔高的变化曲线与假想情况发生差异。返混使传质推动力减小，故应设法减小返混程度。,气液相流动

12、的不均匀， 再加上涡流因素。,需适当加高，以保证 预期的分离效果。,37,为了计算填料塔高度，必须把传质速度方程式和物料平衡方程式联立求解。计算的空间基准为单位塔截面，高为dH的微元体积，其中相界面积为adH；由于稳定操作，时间基准可以任意取t。,物理吸附,38,39,40,41,KAG，KLG分别是组分A一分压和液相浓度表示的传质系数。,42,动力学控制与扩散控制： 当传递速率远大于化学反应速率时，实际的反应速率就完全取决于后者，叫做动力学控制； 反之，如果化学反应的速率很快，而某一步的传递速率很慢时，例如经过气膜或液膜的传递阻力很大时，过程速率就完全取决于该步的传递速率，叫做扩散控制。,4

13、3,反应式为A（气）+B（液）产品。采用逆流稳定操作。气相中失去组分A的物质的量=1/b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。,（5.7） 其中 宏观反应速度 bB的反应系数与A的反应系数之比。,化学吸收,44,45,当处理稀溶液时，PtPu CTCU 可得到微分物料平衡方程,B,b,对塔内任一截面的组分积分, 求得,G/Pt (PAPA1) = L/bCT (CBCB1),46,例1 物理吸附,47,气相总传质系数,PA=20 PA CA=0 PA*=HACA/PA =0,48,(2) CB 高时,气相传质控制,49,液膜传质控制,50,51,结论: 1 气相反应速率较慢，

14、由较慢的控制。 2 反应在液相内进行，为液相控制。,化学吸收可以大大降低塔的高度， 而物理吸收塔过高，不能够实现。,化学吸收,B,52,5.3 板式反应器(tray column reactor),L,L,G,G,适于易聚合或含有固体悬浮物的物料 2.较适合有多股进料及侧线采出的精馏 3. 比填料塔操作范围较大(最小润湿速率, 液泛现象）,53,流向：液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出；在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传质。,板式塔的结构 1.塔壳体 2.塔板 3.溢流堰 4.变

15、液盘 5.降液管,54,板式塔的结构,由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件组成。塔板是板式塔的核心部件，它提供气液接触的场所。, 气体通道-筛板、浮阀、泡罩等对塔板性能影响很大 降液管(液体通道)-多为弓形 受液盘-塔板上接受液体的部分 溢流堰 -使塔板上维持一定高度的液层,保证两相充分接触,55,56,塔板的主要类型:,有降液管的塔板主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板（筛板）、舌形塔板等,57,泡罩塔,优点: 塔板操作弹性大,塔效率也比较高,不易堵。 缺点: 结构复杂,制造成本高,塔板阻力大但生产能力不大。,图112泡罩塔板,58,筛孔塔板,优点: 结构简单、造价低，板上液面落差

16、小， 气体压降低，生产能力大，传质效率高。 缺点: 筛孔易堵塞， 不宜处理易结焦、 粘度大的物料。,59,60,61,(2)筛板塔板 优点:结构简单,造价低, 塔板阻力小，气体压降低， 板上液面落差小， 生产能力大，传质效率高。 缺点:筛孔易堵塞， 不宜处理易结焦、 粘度大的物料。,浮阀塔板,优点:浮阀根据气体流量,自动调节开度,提高了塔板的操作弹性,降低塔板的压降,同时具有较高塔板效率。 缺点:浮阀易脱落或损坏。,62,喷射型塔板,气流方向: 垂直 小角度倾斜, 改善液沫夹带, 液面落差 . 缺点: 气泡夹带现象比较严重.,63,对各种塔板性能的评价和要求主要有：,（1）生产能力；（2）板效率；（3）压降； （4）操作范围