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，但液相
2、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， 适合反应器型式？,8,（3）有利
3、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、浮阀塔、精馏塔制造填料的材料
4、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填料强度，在乱堆时有序排列，
5、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至10之间。,19,气体入
6、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”，或称“放大问题”。 改进
7、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 塔内单位体积填料层具有的填料表
8、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，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛
9、。,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， 以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的
10、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/su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，润湿的填料比表面积为aw,式中液体表面张力，N/m；
11、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。,气液相流动的不均匀， 再加上涡流因素。,需适当加高
12、，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。,43,反应式为A（气）+B（液）产品。 采
13、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，由较慢的控制。 2反应在液相内进行，为
14、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.变液盘 5.降液管,54,板式塔的结构,由圆柱
15、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，板上液面落差小， 气体压降低，生产能力大，传质效率高。缺点
16、: 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；（5）结构情况等。,64,塔板上理想
17、流动情况: 液体横向均匀流过塔板,气体从气体通道上升,均匀穿过液层.气液两相接触传质,达相平衡,分离后,继续流动。 传质的非理想流动情况: 反向流动 液沫夹带,气泡夹带 ,即:返混现象 后果:使已分离的两相又混合,板效率降低,能耗增加。 不均匀流动 液面落差(水力坡度):引起塔板上气速不均; 塔壁作用(阻力):引起塔板上液速不均,中间 近壁; 后果:使塔板上气液接触不充分,板效率降低。,65,塔内气,液两相异常流动,(1)液泛 使得气,液两相流动不畅,使板上液层迅速积累,以致充满整个空间,破坏塔的正常操作,称此现象为液泛. 过量雾沫夹带液泛 气相在液层中鼓泡,气泡破裂,将雾沫弹溅至上一层塔板;
18、 气相运动是喷射状,将液体分散并可携带一部分液沫流动. 说明:开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 . 降液管液泛 当塔内气,液两相流量较大,导致降液管内阻力及塔板阻力增大时,均会引起降液管液层升高.,66,(2) 严重漏液 漏液量增大,导致塔板上难以维持正常操作所需的液面,无法操作.此漏液为严重漏液,称相应的孔流气速为漏液点气速 .,67,塔板上气液两相的接触状态,68,5.4 降膜反应器(falling film reactor),L,L,G,G,单膜反应器及双膜反应器,69,适用于： 1、瞬间、快速和中速反应过程； 2、强放热反应，可籍膜外管冷却； 3、液相高转化率的反应。气、液相可并流或
19、逆流,70,特点： 1、气膜和液膜间互不贯透，设备压降小，允许有较高的气体负荷； 2、降膜很薄，气相和液膜返混均小，传热传质效率高； 3、液膜间壁换热，适用于高热效应的吸收反应。,71,反应器内部结构： 布液、降膜、布气降膜流动特性： 1、层流区：降膜厚度公式计算。 2、拟层流区：随Re增大，降膜表面出现波纹，表明降膜已从层流转向拟层流，其流体力学特征，仍符合层流区基本规律，修正得膜厚度。,72,降膜管可以是不同材质的无缝管，要求材质对液体的浸润性能良好。 为了降低界面的表面张力，以便使液膜稳定，常采用添加适量表面活性剂的方法。1、降液管的压降与液泛 2、降液管传热计算 3、降液管的传质,73
20、,喷雾反应器(spray column reactor),L,L,G,适用于： 1、瞬间、快速反应过程； 2、气膜控制的反应；,74,75,特点：气液两相返混严重适用于： 1、有污泥、沉淀和固体产物的过程 2、高温反应,76,5.5 鼓泡反应器 (bubble column reactor),空心式-针对热效应较大 多段式-克服液相返混 环流反应器-针对高粘物料，借循环运动强化传质，有利固体悬浮。气提式：内环流，外环流液喷式：,L,L,G,G,一. 反应器类型:,77,结构,78,多段式：,L,L,G,G,L,G,79,内环流， 环己烷氧化塔 （生成环己酮、己内酰胺） （可用环烷酸钻催化）,G
21、,L,G,80,环流反应器：外环流,81,搅拌鼓泡反应器(agitated tank reactor),气体分散方式: 强制分散 自吸分散 表面充气分散,82,塔体： 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、多孔管等 换热装置：夹套式：热效应不大时。蛇管式：热效应较大时。外循环换热式：热效应较大时。 水平多孔隔板：提高气体分散度，减少液体纵向循环。 鼓泡反应器的主要特点是液相体积分率高（可达90以上）。液相反应控制。,83,鼓泡塔,优点：气相高度分布在液相中，因此有较大的持液量和相继接触表面，使传质和传热的效率提高。 它适用于缓慢化学反应和
22、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。 缺点：液相返混较大；气相压降较大。 当高径比大时，气泡合并速度增加，使相继接触面积减小。,84,二、鼓泡塔的传递特性,鼓泡塔的流体力学特性 1.塔内液体流动状态：由空塔气速uOG决定,气泡的形成：uOG较低时：气体分布器, 气泡均匀, 分散状态uOG中等时：气泡变大,液体湍动增强uOG较高时：液体湍动使气流破碎成气泡。,85,空塔气速uOG=v0/At 安静区：uOG8cm/s 气泡不断地分裂、合并，并产生激烈无定向运动。塔内液体扰动剧烈，返混严重，流型接近CSTR。 栓塞气流流动区:直径0.15m的小直径气泡塔内，在较高气流下，
23、由于大气流直径被器壁所限制，而出现了栓塞气流流动现象。,86,87,三、鼓泡塔的传质 气膜传质阻力可以忽略，液膜传质阻力的大小决定了传质速率的快慢。 欲提高单位相界面的传质速率，即提高传质系数，则必须提高扩散系数。 安静区:影响液相传质系数的因素主要是气泡大小、空塔气速、液体性质和扩散系数等； 湍动区:液体的扩散系数、液体性质、气泡当量比表面积以及气体表面张力等，成为影响传质系数的主要因素。,88,工业塔的操作常处于安静区和湍流区。,需了解气泡的大小，生长及运动规律，还需了解液相内气含量及气液相截面的状况 传质，传热，返混等。,89,气泡的大小取决于气体通过孔的流速，孔径的大小，流体的性质等。
24、 而浮升速度又和气泡直径及流体的物性等因素有关。,（1）单孔气泡的形成及浮升,G- 气体粘度 -表面张力,90,因大气泡本身不稳定而被破碎为许多小气泡。,91,气泡呈现扁平的椭球形, Z字形或螺旋状轨迹.,92,（2）气泡直径及径向分布： * Akita准数关联式计算气泡直径：dvs-Sauter平均直径：* 径向分布：ds塔内直径d处的气泡平均直径：,93,气泡群的浮升速度由于相挤小于单个气泡的浮升速度。,uoG-表观气速 G-含气率,(3),94,若液相是流动状态，则气泡与液体间的相对速度与浮升速度相等，即,气泡上升速度在塔中部达最大，在塔壁处最小； 气泡大小也是塔中部达最大，近塔壁处最小
25、。,95,（4）鼓泡塔的气含率及径向分布：,* 气含率G：定义：塔内气液混合物中气体所占分率（体积）关联式：DT15cm关联图：Hughmark图（DT15cm）P87径向分布：,96,97,沿半径变化表示为:,98,单位反应器有效体积气泡的表面积。m2/m3,不同气速范围内， 已知气含量和气泡大小，即可求得比表面。,（5） 比表面,或：,99,例 塔径为0.5m的空心气泡塔, 空气-水系统, 空气加入量为52Nm3/h, 试计算平均气泡大小和比表面积。 解：,查水在25下的物理常数为,100,101,鼓泡塔的气体压降P：P=分布板小孔压降+鼓泡塔静压降= kpa式中 C2=0.8 （小孔阻力
26、系数）u0：小孔气速，m/s鼓泡层密度,kg/m3,102,鼓泡塔中的传热,传热方式：三种利用溶剂、反应物或产物气化带走热量。利用液体外循环冷却器移走热量。利用夹套、蛇管或列管式冷却器移走热量。,103,鼓泡塔传热的特征,1. 给热系数主要取决于表观气速、气含量和液体的粘度，热容，导热系数。 2. 表观气速是影响给热系数的主要变量。 3. 温度分布及给热系数分布。,104,鼓泡塔反应器的计算,反应器体积,充气层的体积：VR=VG+VL,分离空间体积：VE,顶盖死区体积：VC,105,VG：VR：,106,4、VE： 当液滴移动速度小于0.0001m/s HE=ED当D1.2m HE1mD1.2
27、m E=0.75,107,VC：式中 ：形状系数，球盖： =1标准椭圆形封头： =2,108,反应器直径和高度的计算DmH H=HR+HE+HC,109,本章介绍了各种塔的结构，特点及流体力学特性。在学习中要注意，新型塔板和填料开发的指导思想即结构改进的目的就是要改善其传质特性及流体力学特性，要注意各种塔及填料的应用场合。要掌握填料性能的各种评价指标，会用填料的压降速度图分析填料塔的操作特性。,110,思考题,综合比较板式塔与填料塔的特点，说明板式塔和填料塔各适用于何种场合？ 评价填料性能的指标有哪些方面，开发新型填料应注意哪些问题？ 填料塔的流体力学性能包括哪些方面，对填料塔的传质过程有何影
28、响？ 气液在塔板上有哪四种接触状态? 鼓泡塔流体力学性能包括哪些方面?作业: P 89 习题:4-1 4-2 4-3,111,1、鼓泡塔反应器结构特点是什么？ 答案：结构简单、运行可靠、易于实现大型化，适宜于加压操作，处理腐蚀性介质等。但液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低，且不能处理密度不均一的液体。,112,2、如何减少鼓泡塔内的返混，强化其传质、传热？ 答案：在塔内装气升管，依靠气体分布器将气体输送到气升管的底部，气升管中形成的气液混合物密度小于气升管外的液体的密度，因此引起气液混合物向上流动，气升管外的液体向下流动，从而使液体在反应器内循环。气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多，可以处理
29、不均一的液体； 气升管做成夹套式，内通热载体或冷载体，即具有换热作用。 为了提高气体分散程度和减少液体轴向循环，可以在塔内安置水平多孔隔板。 为了增加气液相接触面积和减少返混，可在塔内的液体层中放置填料或采用中间设有隔板的多段鼓泡塔。,113,3、举例说明常用气液相反应器的应用范围？ 答案： 极快反应， 快速反应， 中速反应， 慢速反应， 极慢反应,114,4、什么是含气率？影响因素有哪些？ 含气率是指单位体积鼓泡床（充气层）内气体所占体积分数。 影响含气率的因素主要有设备结构、物性参数和操作条件等。,115,5、鼓泡塔的传热方式有哪些？各自的特点是什么？ 答案关键词：溶剂，夹套、蛇管或列管式
30、冷却器，液体循环外冷却器,116,1、在气液相反应中，当化学反应速度大于扩散速度时。反应是在液膜中的一个区域内进行。对 2、鼓泡塔中，气体阻力由分布器小孔压降和鼓泡层静压降组成。 对 3、鼓泡塔内气体为连续相，液体为分散相，液体返混程度较大。 错 4、极快反应和快速反应，可以使用喷雾塔、填料塔。对 5、当传递速率远大于化学反应速率时，反应速率为扩散控制。错,117,1、在气液相反应过程中，至少有一种反应物在气相，另一些反应物在（液相），气相中的（反应物）传递至（液相），并在液相中发生化学反应。 2、气液相反应器外形上可以分为（塔式）和（机械搅拌式）反应器两类。 3、鼓泡塔内安置水平多孔隔板，可
31、以提高气体（分散程度）和减少液体（轴向循环）。 4、鼓泡塔内的液体层中放置填料是为了增加气液相（接触面积）和减少（返混）。 5、在安静区操作的鼓泡塔，气体分布器孔径很小时形成（球）形气泡，孔径较大时形成（椭圆）形气泡，孔径大于4mm时形成（菌帽）形气泡，具有明显的尾涡。,118,6、因空塔气速不同液体会在鼓泡塔内出现不同的流动状态，一般分为（安静区）和（湍动区），及介于两者之间的（过渡区）。 7、鼓泡塔内气泡大小直接影响气液传质面积，同样的空塔气速下，气泡越小，说明（分散）越好，气液接触面积就（越大）。 8、鼓泡塔内的传质过程中，一般（气膜）传质阻力较小，而（液膜）传质阻力的大小决定了传质速率的快慢。,
