鼓泡塔反应器综述

鼓泡塔反应器综述

摘要：本文在调研的基础上，对化工生产中常用的鼓泡塔反应器进行综合叙述。从鼓泡塔的基本概念、起源发展、结构、流体力学特性、传质和传热、简化模型、设计及应用等方面进行综述，以便于更好的利用和开发。

Abstract: in this paper, on the basis of investigation, the chemical production in the bubble column reactor for a comprehensive description. Summarize on basic concept, the origin and development of bubbling tower, structure, hydrodynamics, mass transfer and heat transfer, a simplified model, design and application, to use and develop better.

前言

用于进行化学反应的设备称为化学反应器，简称反应器。化工生产中所用的反应器内部进行的是伴有传质、传热和物质流动的化学反应过程，结构复杂，有时也称为工业反应器。按其结构特征来分，可分为管式反应器、釜式反应器和塔式反应器;按操作方法来分，可分为间歇、连续和半间歇反应器;按物料相态来分，可分为均相反应器和非均相反应器，均相反应器又有气相和液相两类，非均相反应器又分为气—液、气—固、液—液、液—固、气—液—固等反应器。按固体颗粒(固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂)状态来分，可分为固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器等。另外，还有一些分类方法，如按反应器内温度分布分类，可分为等温和非等温反应器;按反应器和外部之间换热来分，可分为绝热反应器和非绝热反应器等。

化学反应器是化工装置的重要设备之一，其设计是否科学、合理，其运行是否安全、可靠，直接关系到整套装置的安全性和经济效益。反应设备虽然种类繁多,但对其要求是共同的主要有以下几点:①技术指标先进,即转化效率高处理量大,能耗低;②使用方便,操作稳定,容易调节,易于清理和检修;③结构简单,节省材料,造价低廉,制造安装方便。

了解化学反应器发展的现状，进一步研究和开发新型实用的化学反应器具有重要的现实意义。本文就鼓泡塔反应器的概念、起源与发展、结构、流体力学、应用范围等进行综述，以便于更好的利用和开发。

鼓泡塔(Bubble Column Reactor)是在塔体下部装上分布器，将气体分散在液体中进行传质、传热的一种塔式反应器。以其结构简单、无机械传动部件、易密封、传热效率高、操作稳定、操作费用低等优点,被广泛应用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化、费-托合成、废气和废水处理、煤的液化及菌种培养等工业过程。

特点：

气相高度分散于液相中，具有大的液体持有量和相际接触面，传质和传热效率高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况；结构简单，操作稳定，投资和维修费用低

缺点：液相有较大的返混，气相有较大的压降。

2 鼓泡塔的发展

20世纪70年代以后，有关鼓

泡塔的研究日益活跃，除标准型

鼓泡塔外，又开发了各种各样的

改型鼓泡塔（射流喷射型、气液

下流型、双管式、多段式、填充

式等）和悬浊鼓泡塔等。图1是

各种鼓泡塔的示意图，从图中可

见，在鼓泡塔中，气液两相基本

呈并流和逆流两种。

3.1简单鼓泡塔的基本结构

图2简单鼓泡塔

1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩大段

主要由塔体和气体分布器组成。塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等；塔内液体层中可放置填料；塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。

简单鼓泡塔内液相可近似视为理想混合流型，气相可近似视为理想置换流型。

最佳空塔气速应满足两个条件：（1）保证反应过程的最佳选择性；(2）保证反应器体积最小。

影响传质的因素：

当气体空塔气速低于0.05m/s时，气体分布器的结构就决定了气体的分散状况、气泡的大小，进而决定了气含率和液相传质系数的大小。

当气体空塔气速大于0.1m/s时，气体分布器的结构无关紧要。此时的气泡是靠气流与液体间的冲击和摩擦而形成，气泡大小及其分布状况主要取决于气体空塔气速。

3.2气体升液式鼓泡塔

图3 气体升液式鼓泡塔

1-筒体；2-气升管；3-气体分布器

塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。适用于高粘性物系。例如：生化工程的发酵、环境工程中活性污泥的处理、有机化工中催化加氢等

特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多。简单鼓泡塔中气体空塔速度不超过1m/s，气体升液式鼓泡塔中气升鼓泡管内气体空管速度可高达2m/s，换算至全塔截面的空塔气速可达1m/s，其液体循环速度可达1～2m/s。

3.3空心式

图4 空心式鼓泡塔

最适用于缓慢化学反应系统或伴有大量热效应的的反应系统。热效应较大时，可在塔内或塔外装备热交换单元。

3.4多段式鼓泡塔反应器

图5 多段式鼓泡塔反应器

克服鼓泡反应器中的液相返混现象，适用于高径比较大的情况。

4 鼓泡塔反应器的操作状态

鼓泡塔内流体的流动情况比较复杂，气体的鼓入方式多种多样，气速的大小有高有低，有的单独鼓入，有的与液体一起鼓入或喷入。液体有流动的（连续式），有不流动的（半间歇式）。在连续操作的塔中，液体与气体有逆流的，有并流的，气液的流动会相互影响。塔内的内部构件导流管、障板、挡板、筛板、换热器等，也会影响气体和液体的流动状态及气液两相的接触状态，从而影响反应器的传递特性和反应结果。下面，仅就一般及典型的情况作出说明和描述，在实践中指导分析和改进鼓泡塔的操作，改善鼓泡塔的结构和塔内流型，提高反应器的收率和生产能力。

气体的空塔线速度不同会在鼓泡塔内造成不同的流动状态。

安静鼓泡区：

表观气速低于0.05m/s时，处于此区。所谓安静区操作，即鼓泡塔中的气体流量较小，气泡大小比较均匀，

规则地浮升，液体搅拌并不显著。

在安静区操作，既能达到一定的

气体流量，又可避免气体的轴向

返混，很适用于动力学控制的慢

反应。此时，气泡呈分散状态，

气泡大小均匀，行有秩序的鼓泡，

目测液体搅动微弱。

湍流鼓泡区：

图6 鼓泡塔流动状态分布区区域图表观气速大于0.08m/s时，

处于此区。所谓湍动区操作，在气体流量较大时，气泡运动呈不规则现象，液体作高度地湍动，塔内物料强烈混合，气泡作用的机理比较复杂，这种情况称为湍动区。在湍动区气泡大小不均匀，大气泡上升速度快，小气泡上升速度慢，停留时间不等，加之无定向搅动，不仅呈极大的液相返混，也造成气相返混。

栓塞气泡流动区：

小径气泡塔，高表观气速下出现此状态。由于器壁限制了大气泡直径。实验观察到，栓塞气泡流发生在小直径直至0.15m直径的鼓泡反应器中。