三相流化床的体积传质系数

     查振华

(安徽化工学校，安徽 安庆  246005)

 

    摘要：　本文介绍了三相流化床反应器内固体粒子的粒径大小，气体速度，液体速度等因素对体积传质系数Ｋla的影响关系。

    关键词   :  流化床　反应器　传质系数

 

　一、概述

     在本世纪六十年代后期，随着石油化工，生物化工，煤化工及其它领域生产技术的深入发展，三相流态化技术也有了一定的突破，自从ostergaard  1968年首先对三相流化床反应器进行了综述性报告后，已有越来越多的人对这种反应器进行了研究，特别是近年来气----液----固三相流化床反应器己成为反应工程领域的一个极为活跃的研究课题之一。

三相流化床反应器的操作方式很多，许多学者都提出了各自的分类方法。在工业生产中有:气相为连续相气液并流反应器;气相为连续相气液逆流反应器;液相为连续相气液并流反应器;液相为连续相气液逆流反应器等四种。其中液相为连续相气液并流向上流动的反应器在工业生产中具有更大的用途，这是由这种反应器本身所具有的优点所决定的，如:固体粒子可动性，压降小，传质传热效果好，连续相内浓度、温度均易于控制，避免反应器内局部过热等。正是由于这些优点，使得这种反应器在煤的液化，石油炼制，湿法冶金，污水处理，甚至在离子交换剂的再生和抗生素的生产中都到了越来越广的应用。

    尽管如此，由于有关三相流化床反应器的研究工作起步较晚，且“三传一反”过程远比两相或单相的复杂，所以到目前为止，一些研究仍处于基础理论阶段。在流体力学行为，相含率，传递特性等方面还没有得到统一的认识，许多方面存在基理模型与实验数据不相符合的地方，有的甚至相矛盾。为了更进一步了解这种反应器的真实情况，以便更好的为工业生产应用，有必要对这种反应器作进一步研究。我们采用φ285mm的有机玻璃塔作为三相流化床，用压缩空气来解吸水中的溶解氧，采用一维轴向扩散模型来处理数据。

二、实验装置

    如图所示为实验流程示意图，主体设备三相流化床为内径285mm高为4100mm的有机玻璃塔，在塔的底部装有气液分布器；次要设备吸收塔为内径200mm，高4000mm的有机玻璃塔，内填巨鞍形不锈钢填料，采用乱堆方式装入，以利于氧气被水充分吸收达到饱和。

流程说明：

气相：经缓冲罐来的压缩空气经玻璃转子流量计计量后，在流化床的底部经气体分布器后进入三相床内，呈气泡形状上升，解吸水中的氧气后在塔顶放空，在计量后进塔前装有压力表和温度计，用来测量入塔空气的压力和温度。

  液相：水槽内的自来水由吸收塔的顶部进入与来自钢瓶由塔底进入的纯氧进行逆流吸收，变成富氧水后由吸收塔底部排出，由清水泵打入流量计，经精确计量后进入三相床底部的预分布段，经过分布器进入塔内。被空气解吸氧后的水在塔顶经过筛网进行液固分离后进入水槽循环使用。

  固相：采用定量间歇的方法加入流化床内，被空气和富氧水流化，但在筛网的作用下而不会被带出。

三、实验结论

    通过对实验数据的分析和整理，我们得到如下一些影响传质系数的因素：

1、分布板效应及塔高对传质系数的影响

    实验结果表明在分布板附近Kla 急剧下降，然后沿床高的增加Kla 的降低速度变慢，随着流速的增加Kla增加，但气速的影响比液速的要大，可见塔高和分布板对Kla 具有一定的影响。

2、粒子对Kla 的影响

    丁然[4]的工作表明随着粒径的增大和装量的增加Kla 均有所减小。Dhanuka 等研究了三相床内不同粒径下的Kl 和 a 后发现，粒子对Kl 的影响很小，而主要是影响界面面积 a ，Ngugen--Tien 在0.14m 塔内对空气----水----玻璃珠体系作了氧传质实验，采用不同的粒径，结果表明在小粒径时Kla 与两相体系的Kla 接近，当粒径大于5mm 后，Kla 明显大于两相的，但随气速的增加增大的倍数有所下降。我们的结论与丁然的相一致，采用的粒径小于1  mm ，一般认为粒子主要是影响气泡行为，通过改变气泡的聚并破碎现象来影响 Kla 的。

3、气速对Kla 的影响

    大量的实验己经表明，Kla 总是随着气速的增加而增加，Dhanuka 等认为主要原因是气速的增加使塔内的气含率增加，而且也使相接触面积增加，特别是大粒子时 a 的增加更为显著。

4、液速对Kla 的影响

     液速对三相流化床的传质系数的影响一般认为比较复杂，且一般的结论为随液速的增大Kla 也相应增大，但其影响没有气速的影响明显。文献〔1〕的研究表明随液速增大相间面积a 增大，从而提高Kla 值，但Dakshinamurty 认为液速对三相流化床的传质没有影响。综合起来看，液速对Kla 的影响在小粒径时要比大粒径敏感，一般认为这与气泡的聚并现象有关。我们的实验表明，随着液速的增大，Kla   值也随着增加，通常认为液速增加起稳定气泡及抑制气泡聚并破碎的作用，使气泡在塔内分布均匀，气泡的稳定性增加，从而改变了床层内的相含率εs，也就是间接增大了相间接触面积，从而可以提高  Kla  的值。

5、其它因素对Kla 的影响

    大量的文献表明Kla的数值与实验所用的方法介质等有很大的关系。一般说来用吸收法和解吸法所得到的结果是不完全一样的。文献〔1〕表明在相同的气、液速下用N2解吸O2 比用CO2 时的Kla值要高30%左右文献〔2〕表明Kla值随液体粘度和表面张力的升高而升高，同时Kla值还与介质的密度、温度等有关文献〔3〕则表明Kla 值的大小还与取样的位置有关认为在塔内中心位置的值要比塔壁等其它地方的值要大。这些因素由于实验条件的限制我们没有进行。

    综上所述，三相床内的体积传质系数Kla 与塔的分布板，固相粒子的粒径及装量，气、液速等许多因素有关系。在实验数据的基础上，还可进一步回归整理出包含这些参数的Kla 的经验关联式如下：

  Kla=A Ugx Uly (1-εs)z 

式中A为系数，x, y, z   为指数，均由实验測定的数据回归而得到，如在均匀鼓泡域可得：

A=0.0219,    x=0.8043,     y=0.0091,     z=3.3866等。

 

 

参考文献:

1 、Ngugen--Tien      AIChE，[J]，USA ,Vol31，No.2，1985

2、Kozo，KOIDE  atal.    Ch. E. [J], Japan. Vol 17   1984      

3、M.Alvarez--Cuenca   atal  Can.  Chem. [J] Eng. Vol 6  1983

4、丁然  硕士论文 [C]，北京，北京化工学院，1989

 

 

 

英文:

On Volume Mass Transfer Coefficient Of The Three-phase Fluidized Bed Reactor

 

ZHA Zhen-hua

(Anhui  Chemical  Industry  School  ，Anqing  246005  China)

 

Abstract：What will be discissed in this paper is that in the three-phase (gas,liquid and solid) fluidized bed reactor  the elements of the diameters of solid particles,gas speed and liquid speed have influence on the overall volume mass transfer Kla.

Keywords:  fluidized bed ; reactor ;mass transfer coefficient

 

 

作者简介：

    查振华，1966年2月出生，男、籍贯：安徽怀宁，职称：讲师，学位：工学士， 1990年7月毕业于北京化工学院化学工程系化学工程专业，分配至安徽化工学校化工原理教研组任教至今，主要从事化工原理类课程的教学和试验研究工作，同时从事于计算机基础类的课程教学，现致力于计算机应用软件的学习和研究。                          

 

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