鼓泡塔反应器综述

1 鼓泡塔反应器简介 (1)

1.1 鼓泡塔的概念 (1)

1.2 鼓泡塔的结构 (1)

1.3 鼓泡塔类型 (2)

1.3.1空心式 (2)

1.3.2 多段式 (3)

1.3.3 循环式 (3)

1.4 鼓泡塔反应器的操作状态 (4)

2 鼓泡塔反应器的流体力学特性 (6)

2.1气泡直径 (6)

2.2含气率 (6)

2.3气液比相界面积 (7)

2.4鼓泡塔的气体阻力ΔP (7)

2.5返混 (8)

3 鼓泡塔反应器的传质、传热特性 (9)

3.1鼓泡塔的传质 (9)

3.2鼓泡塔的传热 (9)

4 鼓泡塔反应器的数学模型 (11)

4.1 双流体模型 (11)

4.2 湍流模型 (11)

5 鼓泡塔反应器的工业应用实例 (13)

1 鼓泡塔反应器简介

1.1 鼓泡塔的概念

鼓泡塔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。

优点：气相高度分散于液相中，具有大的液体持有量和相界接触面，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，被广泛应用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化等工业过程。

缺点：液相有较大的返混，气相有较大的压降。

当高径比大时，气泡合并速度增加，使相际接触面积减小。

1.2 鼓泡塔的结构

图1.2 简单鼓泡塔

气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传质。是气液相鼓泡塔的关键设备之一，型式：多孔板，喷嘴，多孔等，为鼓泡塔主要结构之一，另一主要结构为塔体。

换热装置： 1、夹套式：热效应不大时。

2、蛇管式：热效应较大时。

3、外循环换热式：热效应较大时

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；塔液体层中可放置填料；塔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。

1.3 鼓泡塔类型

1.3.1空心式

图1.3.1 空心式鼓泡塔图1.3.2 多段式鼓泡塔空心式鼓泡塔如图1.3.1所示，塔不含塔板和液体分布器，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，可在塔或塔外装备热交换单元。

1.3.2 多段式

多段式鼓泡塔反应器如图1.3.2所示，塔至少有一块塔板。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。

1.3.3 循环式

图1.3.3 循环式鼓泡塔

循环式鼓泡塔如图1.3.3所示，按循环类型可分为循环鼓泡塔和外循环鼓泡塔。

塔装有气升管，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。

1.4 鼓泡塔反应器的操作状态

鼓泡塔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。塔的部构件导流管、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1.4 鼓泡塔流动状态分布区区域表观气速大于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。

在生产装置中，简单的鼓泡塔往往选择在安静区状态下操作，而气体升液式鼓泡塔往往在湍动区操作。

连续操作的鼓泡塔反应器，当其长径比（塔高/塔径）比较小，气速又比较高时，液相的流动状态接近理想混合；长径比比较大但液体停留时间长、循环速度快时亦可视为理想混合；当长径比比较大，气速又较高时，气体接近理想置换流型。

气液的激烈搅拌有利于气液表面的更新，有利于传质和传热的进行，使反应器温度分布均匀，但返混的存在会影响转化率并对一些反应的选择性有不利影响。例如环己烷氧化制环己酮、环己醇，丁烷氧化制甲乙酮，目的产物均为氧化的中间产物，极易进一步氧化为酸，为提高反应的选择性，应使液体的流动接近活塞流，而且要在低转化率下操作。为降低流动的返混程度，可在鼓泡塔装设水平多孔隔板或挡板，或者填装填料，或者将鼓泡塔做出多级。