反应器分析课程论文气升式环流反应器.doc
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1、华东理工大学20132014学年第一学期反应器分析课程论文 2013.10班级_ 学号_ 姓名_开课学院_ 任课教师_成绩_论文题目:论文要求:1、内容要求与化学反应过程及化学反应器相关。2、字数3000字以上,打印格式统一按学校要求。教师评语:教师签字: 年 月 日气升式环流反应器的简介和进展杨帆(华东理工大学,上海,200237)摘要:综述了气升式环流反应器的工作原理和主要影响因素的研究进展和最新应用,并且介绍了今后气升式环流反应器的主要进展方向。关键词:气升式环流反应器;原理;影响因素;最新进展气升式环流反应器(airlife loop reactor,简称ALR),是目前应用最广泛的生
2、物反应设备。这类反应器具有结构简单、能耗低、剪切应力小、混合好等优点。气升式环流反应器对于反应物之间的混合和传质都是相当有利的。气升式环流反应器是由鼓泡反应器改进而来的新型反应器,它综合了鼓泡床和搅拌釜的性能,与鼓泡床反应器相比,环流反应器具有液体定向流动的特点,在较低的表观气速之下即可以实现固体颗粒的完全悬浮,并且目前被应用于诸多领域诸如费托合成、一步法合成甲醇与二甲醚、汽油脱硫、重油氢化、生物废水处理及发酵工程等。反应器有多种形式,大致可以分为:内环流和外环流,单级和多级,单筒和多桶等等。1气升式环流反应器的工作原理气升式环流反应器的构造如图1-1所示,在反应器内没有搅拌器,其中央有一个导
3、流筒,将反应器内部的液体分成上升区(导流筒内)和下降区(导流筒外),在上升去的下部安装了很多的空气喷嘴,或者环型气体分布管,空气分布管的下方许多喷孔。反应器工作时,加压空气通过喷嘴或者喷孔喷射进入反应器的上升区,喷射气速可达250300m/s,气体进入上升管后,通过汽液混合物的湍流作用使空气气泡分割细碎,形成巨大的接触面积,与导流筒内的液相或者液固混合物密切接触从而充分反应。由于导流筒内形成的气液混合物密度会降低,加上空气被压缩后的动能,因此会使得导流筒内的液体向上流动;到达反应器上部液面后,一部分气生泡破碎,汽液混合物中的气体排出到反应器的上部空间,因排出部分气体的液体通过导流筒上部向导流筒
4、外流动,导流筒外的液体因排出气体后会变得气含率减小,密度增大,所以在重力作用下液体会下降至反映其底部。在反应器底部由于导流筒的内的液体速度很大,会将气含率小的液体吸入导流筒内部再次进入上升管参与反应,从而形成一个循环流动,实现混合与传质。图 1-1气升式环流反应器结构示意图2反应器的气液相特征参数 影响气升式环流反应器的特征参数一般有气含率、循环液速、气泡尺寸及其分布、扩散系数、传质特性等。2.1气含率 气含率是指在反应器内部气相所占的体积分数,根据考察对象的不同气含率又可以分为平均气含率和局部气含率,气含率是气升式环流反应器的一个重要参数,其他的各种特性参数一般都是通过影响气含率进一步影响反
5、应器的特性的。气含率对气液相界面的面积有直接影响,并进而影响了相间传质速率。 气含率的测量方法一般有膨胀法、压差法、电导探头法和光纤探头法等,其中膨胀法一般用来测量全反应器的平均气含率,因其操作比较简单而被经常应用。 气含率一般来说受到表观气速的影响很大,气速较低时气含率随着表观气速的增加而增加,近似呈线性关系;但是气速较高时,增加的趋势变得平稳缓慢,其关系见图2-1。气含率还受到液体本身粘度和表面张力的影响,液体粘度增加,气泡的破碎速率降低,气泡尺寸变大,上升速度加快,使得气含率降低;表面张力的增加,气泡的聚并速率上升,破碎的速率降低,气泡尺寸变大,所以气含率随着表面张力的增加而降低。另外,
6、压力增加,气泡破碎所需要的能量降低,使得气泡的尺寸变小,所以气含率随着系统压力的增加而增加。图2-1 气含率随表观气速变化关系2.2循环液速 循环液速是由于上升管和下降管间的气含率不同造成的液体密度不同所致,但是循环液速又对气含率有着重要的反作用。循环液速增加,反应器内部的液体流动加剧,湍动程度增加,加快了气泡的表面更新速率,有利于气液两相之间的传质的进行,强化了能量和质量的传递。对于含有气液固三相的气升式环流反应器,循环液速增加,会使得反应器内部的固体催化剂颗粒的分布变得更加均匀,改善三相之间的传质。 循环液速的影响因素主要有表观气速、液相物性和反应器尺寸等。表观气速增加,气含率上升,上升管
7、和下降管间的推动力变大,循环液速就会随之增加;液相粘度增加,液体的循环阻力增加,且气含率的下降,推动力降低,所以循环液速随液相粘度的增加而降低;下降管截面积增加,反应器内液体的循环阻力降低,循环液速升高;固体加入后,液-固拟均相的粘度增加,流动阻力变大,循环液速降低。系统压力增加,气含率增加,而液相物理性质随压力变化很小,故循环液速变大。虽然许多研究人员对循环液速与各操作条件的变化关系进行了广泛的研究,并且得出的定性关系大致相同,但循环液速与各操作条件间的定量关系目前还没有统一的认识,需要更进一步的研究和探索。2.3气泡尺寸及其分布 气泡尺寸及其分布决定了气-液相的接触面积以及气泡在床层中受到
8、的阻力,阻力会影响气泡在床层内部的停留时间,因此对气液间的传质速率有着重要的影响。气泡的尺寸和分布是环流反应器的重要研究内容。衡量气泡尺寸的主要指标是Sauer直径,其表达式为:公式的含义是将气泡分为不同的级别,为第个级别的气泡直径,而为第个级别气泡的数量。 气泡尺寸及其分布的主要影响因素有表观气速、液相物性和反应器的尺寸等。观气速增加,气泡的空间密度上升,气泡的聚并速率加快,气泡尺寸变大;粘度增加,气泡的破碎速率变慢,使得气泡尺寸增加;表面张力增加,气泡的聚并速率加快,破碎速度变小,气泡尺寸相应变大;压力增加,气泡内外的相对压力变小,气泡破碎所需克服的能量变小,气泡破碎速度变大,使气泡尺寸减
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