CN100417437C - 带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，在位于鼓泡塔气体分布器上方的反应区内装置与塔体同轴线的阻尼内构件。由于阻尼内构件对流体的流动施加一定的阻碍作用，可有效地抑制中心区域过快的流速，使速度的径向分布更为均匀。同时，通过阻尼内构件对流场的干扰，促进局部湍动，提高气液传质速率，使过程得到强化。

Description

带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器
技术领域
本发明涉及一种气-液鼓泡塔反应器或气-液-固三相鼓泡塔反应器，尤其是带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，用于各种化工生产过程的多相反应或气体吸收操作。
背景技术
鼓泡塔反应器广泛应用于化工、能源、环境、生化等许多领域，用于气液两相或气液固三相的传质与反应操作，例如氧化、加氢、羰基化、卤化、发酵、吸收等过程。工业鼓泡塔反应器目前已日趋大型化。鼓泡塔放大中的一个重要问题，是流体轴向流速在径向上分布的不均匀：在塔中心区域，气-液两相向上流动，流速较高；在靠近塔壁的区域，气-液向下流动，流速较低。中心区气含率高，近壁区气含率低。同时，塔中心两相流速还随着塔径的增大而增大。这样，在鼓泡塔放大时，特别在高气速下，流速分布和气含率分布将变得更不均匀。计算机模拟结果表明，对于直径为6m的大型鼓泡塔，当空塔气速在每秒0.3米时，中心液速可能达到4～5m/s，气速则更高。这就可能导致气体从塔中心短路，使气液接触不良，给放大造成困难。对于一些氧化反应，气体的短路还会造成尾气氧浓度的升高，带来安全隐患。目前文献中提出的和工业上采用的鼓泡塔内构件大都是出于改善气液混合状态的考虑，例如导流筒、多层隔板、搅拌桨，等等，还没有见到采用具有流动阻碍作用的内构件来改善气液流速径向分布的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可抑制鼓泡塔中气-液流速不均、防止气体短路、强化传质、容易放大的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器。
本发明的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，主要包括塔体、气体分布器，其特征是在气体分布器上方的反应区内装置阻碍流体运动的阻尼内构件，阻尼内构件与塔体同轴线。
对于设置的阻尼内构件只要满足：1)垂直于流体流动方向具有一定的阻尼面积；2)具有一定的流通面积，以允许流体通过；3)阻尼面积在径向上存在一定形式的分布，在中心区域，阻尼面积密度较大，外围区域阻尼面积密度较小。这是因为中心区域流体流速高，需要更多的阻尼面积来才能使流速得到抑制，而外围区域流体流速较小，不需要太多的阻尼面积。因此本发明提出的阻尼内构件具有中心密集、外围稀疏的特征。
原则上，阻尼内构件的外围最大直径或径向长度与鼓泡塔反应器直径之比可以取0～1之间的任何数值(0为中心位置，1为壁面位置)。但如果阻尼内构件直径或长度过小则作用范围有限，难以使中心区域的流速得到有效的抑制；而如果阻尼内构件直径过大又没有必要，因为中心区域之外的流速较小，不需要进行抑制。根据流速分布测量，合适的阻尼内构件外围直径或径向长度与鼓泡塔反应器直径之比为0.1～1.0，优选的直径比为0.2～0.6。
阻尼内构件包括多个阻尼单元，阻尼单元的个数或安装密度根据对流速分布的阻尼要求来确定：如果阻尼单元过少则达不到有效抑制中心流速的要求，而如果阻尼单元过多又可能使流速受到过度抑制，形成新的不均匀分布，甚至在中心区域形成流动死区。本发明采用阻尼面积密度的概念来确定阻尼单元的安装密度，阻尼面积密度定义为单位反应器体积中阻尼内构件的阻尼面积，其计算公式为：全部阻尼内构件的阻尼面积/含有内构件的反应器总体积。根据大量的流动测量和流体力学计算试验，本发明给出的合适的阻尼面积密度为0.05～5.0m2/m3，优选的阻尼面积密度为0.20～2.0m2/m3。一旦阻尼面积密度的值确定之后，就可以计算出所需阻尼单元的大小与数量。
本发明由于在鼓泡塔反应区，即反应器液位以下、气体分布器以上的区域中心装置了阻尼内构件，对流体的流动施加一定的阻碍作用，可有效地抑制中心区域过快的流速，使速度的径向分布更为均匀。同时，通过阻尼内构件对流场的干扰，促进局部湍动，提高气液传质速率，使过程得到强化。本发明适用于任何形式的气液或气液固鼓泡塔反应器，例如上部带有扩大段的鼓泡塔反应器，上部带有精馏段、气体吸收段、颗粒与液沫分离段的鼓泡塔反应器，任何对反应器其它部分的改进都不影响本发明的适用范围。
附图说明
图1是本发明的带阻尼内构件的鼓泡塔反应器示意图；
图2是放射型结构阻尼片示意图；
图3是同心圆连接的环形圈阻尼片示意图；
图4是网状阻尼片示意图；
图5是交错排列翅片型结构阻尼片示意图；
图6是液体轴向速度分布图，图中横坐标R为无量纲径向坐标，定义为径向坐标/鼓泡塔半径，R＝0为中心位置，R＝1为壁面位置；纵坐标为测定的液体轴向速度，速度为正值表示向上流动，负值表示向下流动。
具体实施方式
参照图1，带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，包括塔体1、气体分布器3，其特征是在气体分布器上方的反应区内装置阻碍流体运动的阻尼内构件2，阻尼内构件2与塔体同轴线。图示具体实例中，阻尼构件2由底端固定在鼓泡塔底部或气体分布器上的立杆和多个多个阻尼单元组成。多个阻尼单元垂直于立杆并沿轴向彼此间隔安装在立杆上。阻尼单元对流体流动起阻碍作用，其形状可以是多种形式，例如可以是放射型结构片(图2)、也可以是同心圆连接的环形圈(图3)、或是中心区域阻尼大于外围区域阻尼的圆形网(图4)，或是交错排列的翅片型结构(图5)。
阻尼内构件2的安装可以采用多种方式，例如也可以用多根金属丝或细杆将各阻尼单元或阻尼单元组合沿径向拉紧，悬空固定在鼓泡塔壁面上。
实施例1
在直径为500mm、高4000mm的鼓泡塔反应器的轴中心区域，于气体分布器的上方和鼓泡塔液位下方的反应区域内通过一根中心立杆固定阻尼构件，阻尼构件具有14个如图2所示的放射型的阻尼单元，其直径为250mm，相邻阻尼单元间距为200mm，最下端的阻尼单元距气体分布器200mm，最上端的阻尼单元与液位齐平。阻尼面积密度为0.35m2/m3。
实验在空气-水体系中进行，鼓泡以后的液位高度为3000mm，空塔气速0.62m/s。在距分布器2250mm、两个阻尼单元之间的中点处，测量不同径向位置上的轴向速度，然后比较不加阻尼内构件和安装阻尼内构件后的流体速度径向分布，结果示于图6。
空塔反应器的流速分布不均匀，中心区域液速高达1.2m/s，而加入阻尼内构件后，最大流速出现的位置向外移动，最大值也降到0.88m/s，说明加入阻尼内构件之后有效地抑制了中心区域过高的流体流速。
实施例2
实验条件同实施例1相同，采用化学吸收法测定气液传质速率，然后比较不加阻尼内构件和安装阻尼内构件后的气液传质系数kla，结果示于表1。
空塔反应器的气液传质系数为0.41，加入实施例1中所描述的阻尼内构件之后，传质系数增加到0.49，传质速率提高了20％。说明阻尼内构件对流场的干扰强化了流体湍动，显著提高了传质速率。
表1空塔和采用不同内构件尺寸时测定的鼓泡塔气液传质系数
  实验条件   无阻尼构件   实施例2   对比例3   对比例4
  传质系数k<sub>l</sub>a(l/s)   0.41   0.49   0.43   0.55
对比例1
在流速测量实验中，将反应器中阻尼单元的数目增加一倍，相邻阻尼单元间距缩小到100mm，单位体积反应器包含的阻尼内构件的阻尼面积，即阻尼面积密度为0.7m2/m3，其它条件同实施例1相同。测量结果也示于图6。从中可以看到，虽然加入阻尼内构件之后中心区域的流速大幅降低，但流速受到过度的抑制，尤其在靠近中心轴线的位置，几乎形成死区。说明本例阻尼内构件的阻尼而积密度过大。当然，如果改进内构件单元结构，在中心位置处适当减小阻尼面积，这种面积密度的阻尼构件也是可取的。
对比例2
在流速测量实验中，将反应器中阻尼单元的数目减少一倍，相邻阻尼单元间距增大到400mm，阻尼面积密度为0.18m2/m3，其它条件同实施例1相同。测量结果也示于图6。从中可以看到，由于阻尼内构件的阻尼面积密度太小，液体流速分布接近于空塔情况下的分布，说明阻尼单元数目过少，阻尼面积密度不够，对中心区域的流速没有形成有效的抑制。
对比例3
在气液传质实验中，将阻尼单元的直径从250mm减少到120mm，阻尼面积密度从0.35m2/m3减少至0.18m2/m3，其它条件同实施例1相同。测定的气液传质系数kla值也列于表1。可以看到，由于阻尼内构件直径过小，对流体湍动施加的影响有限，传质系数没有发生明显变化。
对比例4
在气液传质实验中，将阻尼单元的直径从250mm增大到480mm，阻尼面积密度从0.35m2/m3增加至0.65m2/m3，其它条件同实施例1相同。测定的气液传质系数kla值也列于表1。可以看到，采用直径接近于塔径的阻尼内构件，传质系数可以得到一定提高，但其幅度已经减小。如采用250mm直径的阻尼内构件可提高传质速率20％，而采用480mm直径的阻尼内构件却只能在此基础上再提高传质速率10％。
上述例子说明加入阻尼内构件后，既可以有效地抑制鼓泡塔中心部分过大的流速，又能够显著提高气液传质速率。从上述例子也不难推断，采用形状更复杂的内构件，使得其阻尼面积径向分布满足一定要求，还可以得到中心区更为均匀的速度分布，不再一一列举。任何对于阻尼内构件形状的改进都属于本发明定义的范围，不会改变本发明的技术特征。

Claims (6)

1. 带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，主要包括塔体(1)、气体分布器(3)，其特征是在气体分布器上方的反应区内装置阻碍流体运动的阻尼内构件(2)，阻尼内构件(2)与塔体同轴线，由固定在塔体轴中心的立杆和多个阻尼单元组成，多个阻尼单元垂直于立杆并沿轴向彼此间隔安装在立杆上，阻尼内构件(2)的阻尼面积在径向中心区域阻尼面积密度大于外围区域阻尼面积密度。
2. 根据权利要求1所述的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，其特征是所说的阻尼单元是放射型结构片，或是同心圆连接的环形圈，或是中心区域阻尼大于外围区域阻尼的圆形网，或是交错排列的翅片。
3. 根据权利要求1所述的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，其特征是阻尼内构件(2)的最大直径或径向长度与反应器直径之比为0.1～1.0。
4. 根据权利要求1所述的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，其特征是阻尼内构件(2)的最大直径或径向长度与反应器直径之比为0.2～0.6。
5. 根据权利要求1所述的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，其特征是单位反应器体积所包含的阻尼内构件的阻尼面积为0.05～5.0m2/m3。
6. 根据权利要求1所述的带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，其特征是单位反应器体积所包含的阻尼内构件的阻尼面积为0.20～2.0m2/m3。
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