第二章(2)气液固三相浆态床反应器2

催化剂不会像固定床中那样产生烧结
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浆态反应器的缺点
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。在操作状态下呈液态，蒸气压低且热稳定性好，不 易分解，并且其中对催化剂有毒物质含量合乎要求；三相床 中进行氧化反应时，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。
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固体完全悬浮的临界气速
图3是Kojima归纳的众多研究者关 于淤浆鼓泡床临界气速的关联式
Csc是无气泡两相淤浆中固体
完全悬浮时的临界固体质量浓 kg 3 度， / m slurry
SL是无气泡时的液-固两相淤
kg 3 浆密度， / m slurry。
图4 鼓泡淤浆床临界气速关系式
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固体完全悬浮的临界气速
u 实验表明：临界气速 U Gc 随着颗粒在液体中的终端速度( t 即颗粒直径) 增大而增大 随着密度差（ S L ）增大和颗粒浓度 C s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 L增大而减小。 床层的锥形底比平底可降低 uGc / ut 值。

0.88
对于无机电解质的水 L 溶液，C＝0.364。 CS 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。
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气含率
图7 固体颗粒浓度及塔径对气含率的影响
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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： ni 是尺寸为的气泡的数目 d bi可以为任意的当量直径 d n d3 / n d2
当气泡平均直径 Calderbank和Moo—Young提出的关联式: <2.5mm时，A=0.31 当气泡平均直径 1 >2.5mm时，A＝0.42 L ( L G )g 3 2 DL为气体在液体中 k L S C 3 A 2 的分子扩散系数 L
气泡尺寸与分布
从图可以看出，α明显地受到 操作系统的影响，例如，当 uG 约为3cm/s时，Fukuma等所得 3 α约为10 m2 / m，而Decker等 在费-托合成的液体石蜡A12O3淤浆中得到的α值约为
2 3 1500 m / m 。
u 图10 不同鼓泡淤浆床中α与 G 的关系图
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。
气-液相界面积α可由气-液鼓泡床或三相床的平均气含率 G 及Sauter平均直径 d vs 求出，即 6 G / dvs 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。
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气相呈一定程度的返混，影响了反应器中的总体速率。
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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
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流型
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。
图6气液鼓泡淤浆床气含率关联式的比较
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气含率
Smith及Ruether：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。 以空气为介质，常温 Koide等:在鼓泡淤浆床中，过渡区域内，分布器的设计 常压，对于水及甘油 和乙二醇的水溶液， 对气含率和发生过渡流型的起始条件有影响。
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最早
图1 淤浆床鼓泡反应器中的流型
浆态床反应器
主要内容
浆态床反应器中的 流体力学
浆态床反应器中的 传递过程
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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
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气泡尺寸与分布
Fukuma等提出 d vs可按下式计算
d VS 0.59uG ( 1 G ) u L G ( 1 G ) / L / G / g
2
实验范围为uG=0.8～10cm/s， L＝1～6.6mPa· G =0～0.45。 s，
流型
当淤浆的性能可作为拟液体时，如颗粒直径≤50µ m， 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150µ m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。
浆态床反应器
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LOGO
浆态床反应器的产业化进程
固相运动的三相反应器，可称为浆态反应器
1997年 1996年 1953年
美国建立了日产260t 三相床合成装置 Sasol公司实现费托合 成技术的工业化 Rheinpreussen公司建成浆态 床反应器中试规模实验厂 应用于费托合成
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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 KG 和液相传质系数 K L ， 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 K G常常可 以忽略，而液相容积传质系数 K GL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 S e 是固定的，一般只讨论 液-固传质系数是 K S 。
0.24
0.578 4 g L 1 807 3 L L
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固体完全悬浮的临界气速
由图可见，以空气为介质 时 U Gc 值的大致范围。
导流筒结构尺寸对U Gc具有影 响，如果固体颗粒的粒度范 围宽，则 U Gc 值有所增加。
VS

i bi

i bi
Baidu Nhomakorabea
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气泡尺寸与分布
u 图6表达了 G 对 d vs的影响与流 型区域有关，在安静鼓泡区气 泡平均尺寸小( d vs <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( d vs >10mm)并随气速增加而迅速增 加。
图8 气—液鼓泡床中uG 对 d vs的影响
图5颗粒浓度 C s 对固体完全悬浮的临界 气速 U Gc 的影响
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气含率
三相鼓泡淤浆反应器的气含率或气相分率 G , 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 uG 增大，气含率 G 增大。 对于大颗粒固体，dP≥lOOµm时，随淤浆中固含率 增大而减小； G 对于小颗粒固体， G增大时， G 的变化不明显；液体的粘度和表 面张力增加，减小。
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 U Gc与固体颗粒在静止流体中的终端速 度 u t 之比如下：
S L uGC 0.801 ut L
0.60
cS S

0.146
gDR uL
流型
根据气泡流动的行为，可以划分出三种流动型态：
(1)安静鼓泡区，又称为气泡分散区(dispersed bubble regime) (2)湍流鼓泡区，又称为气泡聚并区(coalesced bubble regime) (3)栓塞区(sluggingregime)，又称节涌区。
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图1 淤浆床鼓泡反应器中的流型
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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
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流型
液相表观速率对流型 的影响
图3 气液固三相浆态床流型分布图 （空气-水-4.5mm玻璃珠体系）
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气泡尺寸与分布
图7中，采用 d p=0.16mm玻璃球， uG uL =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。
图9 三相淤浆床 dVS ~ uG的图
C L ＝0.227；
G (1G )
u CL G L L
0.748 4 g L 3 L L
D R uG L
0.168
C 1 4.35 S S
S L L
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气含率
Fan的专著整理了众多气—液 两相鼓泡床气含率的关联式 Hughmark对于空气—水系统，气 液两相鼓泡床气含率的关联式：
G
1 0.35 L L 3 2 u 72 G 1
0.73 G
u是表观气速， G
m/s
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气—液界面的液相传质
对于气—液界面的液相传质，可分为：
(1)气—液界面的液相传质系数
表征液体性质 的Schmidt准 数
(2)气—液界面的液相容积传质系数 K L 气—液界面的液相传质系数 K L
SC
L DL
L
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气—液界面的气相容积传质系数 K G
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：
k G a 5.9u
K是气相容积传质系数， G mol/[MPa· m3(不含气相 的淤浆体积)· S]
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u Gc
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 U Gc 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 U Gc 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。