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高温高压下浆态鼓泡床气液传质特性的研究

刘德林  
【摘要】:浆态鼓泡床反应器具有结构简单、传热、传质性能好以及温度易控制等优点,在化工生产中,例如F-T合成、液相合成甲醇、合成二甲醚等一些强放热的多相反应体系中有着广泛的应用。因此,浆态鼓泡床被认为是最具发展前景的多相反应器之一,对它进行详细的研究具有巨大的现实意义和潜在的应用价值。 传质特性是反应器设计和放大的重要参数之一,也是当今反应器研究的热点和难点。在大多数情况下,传质过程是整个反应过程的控制步骤,它直接影响着反应速率的快慢以及产物分布等。因此,对三相浆态反应器传质特性进行研究有利于了解反应器内的传质特征,使我们能够更好地利用浆态床反应器。 本文针对工业上对二甲苯氧化反应器的特点,建立了高温高压的浆态鼓泡床反应器实验装置,对气体在水体系和液体石蜡体系中传质特性进行了研究。实验采用动态气体吸收法测定了体系的体积传质系数,着重考察了温度(T)、 压力(P)、表观气速(U_G)、固含率(C_V)以及塔径(D_R )等对液相体积传质系数(K_Lα)的影响;同时,对于有机体系实验还利用床层塌落法测定了反应器内气泡含率(大、小气泡分率)和气泡上升速度,由此根据气泡上升速度与气泡直径的关联式,求取相界面积(α)和液相传质分系数(K_L),进而考察了操作 WP=4 条件对相界面积和液相传质分系数的影响,实验结论如下: 在温度(293K~473K), 压力(1.0MPa~3.0MPa),表观气速(0.03m/s~0.1m/s),固含率(0%(w)~20%(w))的实验条件下,液相体积传质系数 随着温度、压力、表观气速的增加而增大;随着固含率的增加而减小。对于不同直径的反应器来说,大塔中的传质系数略高于小塔中的传质系数。 在有机体系中,相界面积 受压力、表观气速、固含率的影响较大,而受温度的影响较小;而传质分系数 受温度、固含率的影响较大,受表观气速和压力影响较小。 在实验范围内得出气体(O_2 ,H_2 ,CO ,CO_2)在两种体系(水、液体石蜡)中传质系数的计算关联式。 对于水-空气-石英砂体系: k_2α=C(P/P~0)~(0.143)(1-C_V/0.70)~(0.802)μ _l~(-0.244)U_G~(0.721) 对于气体-液体石蜡-石英砂体系: k_2α=3.0508×(ρ_zV_A/M_B)~(-1.1933) Sc~(-0.7341)(ρ_g×U_G)~(0.5235)(1-C_V/0.85)~(2.3028) 实验从流体力学的角度定性地解释了气液传质的变化规律,有利于更加深入地认识传质特性。本实验结果可为浆态床鼓泡反应器的设计和放大提供一些基础实验数据。


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