鼓泡塔设计-反应器设计与应用(2)

热、传质系数较大，液体循环速度可调节等优点。

图2.5液体喷射式鼓泡反应器

2.2.2 鼓泡塔反应器的特点与结构 1.鼓泡塔反应器中流体的流动特性

鼓泡塔的流体力学特性：

塔内液体流动状态：由空塔气速UOG决定 空塔气速UOG= v0/At

在正常操作情况下，鼓泡塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，即与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。在鼓泡塔反应器中，气体由顶部排出而液体由底部引出。通常鼓泡塔的流动状态可划分为如下三个区域。

a、安静鼓泡区

UOG< 4.5~6 cm/s 气体通过分布器几乎呈分散的有次序的鼓泡，既能达到一定的流量，又很少出现返混。在该区域内，当表观气速低于0.05m/s时，常处于此种安静鼓泡区域。此时，气泡呈分散状态，气泡大小均匀，进行有秩序的鼓泡，液体搅动微弱，可视为均相流动区域。

b、湍流鼓泡区

UOG>8cm/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。该区域表观气速较高，塔内气液剧烈无定向搅动，呈现极大的液相返混。此时部分小气泡凝聚成大气泡，气体以大气泡和小气泡两种形态与液体接触，大气泡上升速度较快，停留时间较短，小气泡上升速度较慢，停留时间较长。形成不均匀接触的流动状态，称为剧烈扰动的湍流鼓泡区，或称为不均匀湍流鼓泡区。

c、栓塞气泡流动区

在直径小于0.15m的鼓泡塔中，实验观察到在较高表观气速下会出现栓塞气

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泡流动状态，这是由于大气泡直径被鼓泡塔的器壁所限制。

鼓泡塔中液体流动状态(如图2.6)所示，

图中三个流动区域的交界是模糊的，这是由于气体分布器的形式、液体的物理化学性质和液相的流速一定程度影响了流动区域的转移。例如。孔径较大的分布器在很低的气速下就成为湍流鼓泡区；高粘度的液体在较大的鼓泡塔中也会形成栓塞流，而在较高气速下才能过渡到湍流鼓泡区。

工业鼓泡塔的操作常处于安静区和湍流区两种流动状态中，一般应保持在均匀流动的安静区才为合理。

图2.6 鼓泡塔流动状态

2.气泡尺寸

a. 气泡的形成：

UOG较低时：气体分布器

UOG中等时：气体分布器加液体湍动 UOG较高时：液体湍动使气流破碎成气泡。 b.单个气泡的形状和直径

形状： db<0.2cm 垂直上升的坚实圆球. 0.2≤db≤1.0cm 螺旋式摆动上升的椭圆球 db>1.0cm 垂直上升的菌帽状

G <200 条件： Re ? d 0 u 0? 0?G

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2.2.3 鼓泡塔中的传质

一般气膜传质阻力较小，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。 扩散系数不仅与液体物理性质有关，而且还与反应温度、气体反应物的分压或液体浓度有关。当鼓泡塔在安静区操作时，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；而在湍动区操作时，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

2.2.4 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。 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。

三、初步设计

3.1 PX氧化宏观动力学

3.1.1宏观反应动力学

研究反应分子间的反应机理和反应速率的化学反应动力学称为微观动力学，也称为本征动力学。而研究工业规模化学反应器中化学反应与质量、热量、动量传递过程同时进行的化学反应与物料变化过程综合的过程动力学，就称为宏观动力学。

气液反应宏观动力学基本的研究方法是：在扩散方程的基础上加入反应相，构成扩散——反应方程(即气液传质和液相中化学反应之间的数学描述)，再利用气液传质模型确定边界条件和数学处理方法进行解析。扩散——反应方程十分复杂，迄今为止，只有当本征反应动力学方程是线性的场合才能得到数学解析解，其他的场合只能做近似解和数值解。因此从实际应用出发，一般只对某些特定情况进行解析，并且采用一些无因次数群作为气液反应的特征数，描述气液反应的特定规律。气液反应宏观动力学方程原则上都可以用下式表示：

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RA=EkLC*A或RA=ηrL(3?1)

式中：E为气液反应的增强因数；为气液反应的效率因数。

气液宏观反应动力学特征数是指在气液反应理论分析中形成的一些特定的概念：八田数、饱和度、增强因数和效率因数，利用它们可以定性或定量地判别气液宏观反应的动力学状况。其中八田数是最基本的特征数，增强因数E和效率因数都可以表示成八田数的函数。对于一级不可逆反应，八田数为

,从)

其形式可以看出气液反应宏观动力学方程的核心问题是反应的本征速率常数(流体力学特性[4]。

3.1.2 PX氧化反应宏观动力学

对氧化反应本征动力学，浙江大学进行了一系列相关实验，研究的比较系统，现借鉴其研究的结果，用于鼓泡塔氧化反应器的模拟。其反应路径如图3.1所示[5]。

与传质(液相)的本征速率()的关系。反映了化学反应的特征；反映了扩散和

图3.1 PX氧化反应路径

氧化反应过程中各个物质的生成速率Ri同各步反应速率ri的关系如下：

RPX=-r1-r5；RTALD=r1+r6-r2；RPT=r2-r3； R4-CBA=r3-r4；RTA=r4；RTALC=r5-r6；

1111RO2=-(r1+r2+r3+r4+r5+r6)；RH2O=r1+r3+r6

2222ri与液相组分浓度的关系为双曲型，如果从扩散一反应方程出发，结合气液传质模型求解浓度随空间的分布将是十分复杂的，从实际情况来看，可以先分析其气液反应的特征数，确定气液反应的类型，然后再根据情况得出PX气液反应

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宏观动力学形式。

气液反应的特征数实际上是讨论本征反应速率和本征传质速率的关系问题，我们采用膜内转换系数M来进行考察，其定义如下：

膜内可能的最大耗氧速率-?a?LRO2 （3-2） M==*气液界面最大氧传质速率kLCO2式中?L为液膜厚度。 3.1.3 氧化反应机理

PX 氧化遵循自由基反应机理，反应中苯环上的两个甲基逐步被氧化，生成相应的醇、醛、酸。反应过程中，除原料PX 和最终产品对苯二甲酸（TA）外，还有对甲基苯甲醇（TALC）、对甲基苯甲醛（TALD）、对甲基苯甲酸（PT）、对羧基苯甲醛（4-CBA）等其他中间产物存在. 各中间产物的浓度均存在一个极大值，呈现出连串反应的特征。PX 氧化的路径如图3.1 所示。 此路径中的各步反应按反应官能团的不同可分为甲基的氧化和醛基的氧化。

由于PX 氧化反应过程影响因素较多且复杂，在实验研究中，要全面考虑各个因素是不可能的。参照PX 氧化反应工艺的现有条件，重点考察了不同氧化温度、不同溶剂比条件下的实验结果，测定了每一种条件下的液相物和固相物中各个反应组分含量随时间变化的曲线，为反应动力学研究提供了必要的基础数据[6]。

PX氧化反应是复杂的自由基反应，反应体系中有许多中间产物和副产物。如果对所有的组分都加以考虑，要建立描述每种化合物在反应过程中变化的动力学 …… 此处隐藏：1250字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……