鼓泡塔反应器1鼓泡塔反应器的特点与结构
鼓泡塔反应器综述
目录1 鼓泡塔反应器简介 (1)1.1 鼓泡塔的概念 (1)1.2 鼓泡塔的结构 (1)1.3 鼓泡塔类型 (2)1.3.1空心式 (2)1.3.2 多段式 (3)1.3.3 循环式 (3)1.4 鼓泡塔反应器的操作状态 (4)2 鼓泡塔反应器的流体力学特性 (6)2.1气泡直径 (6)2.2含气率 (6)2.3气液比相界面积 (7)2.4鼓泡塔内的气体阻力ΔP (7)2.5返混 (8)3 鼓泡塔反应器的传质、传热特性 (9)3.1鼓泡塔的传质 (9)3.2鼓泡塔的传热 (9)4 鼓泡塔反应器的数学模型 (11)4.1 双流体模型 (11)4.2 湍流模型 (11)5 鼓泡塔反应器的工业应用实例 (13)1 鼓泡塔反应器简介1.1 鼓泡塔的概念鼓泡塔是在塔体下部装上分布器，将气体分散在液体中进行传质、传热的一种塔式反应器。
优点：气相高度分散于液相中，具有大的液体持有量和相界接触面，传质和传热效率高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况；结构简单，操作稳定，投资和维修费用低，被广泛应用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化等工业过程。
缺点：液相有较大的返混，气相有较大的压降。
当高径比大时，气泡合并速度增加，使相际接触面积减小。
1.2 鼓泡塔的结构图1.2 简单鼓泡塔气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传质。
是气液相鼓泡塔的关键设备之一，型式：多孔板，喷嘴，多孔等，为鼓泡塔主要结构之一，另一主要结构为塔体。
换热装置： 1、夹套式：热效应不大时。
2、蛇管式：热效应较大时。
3、外循环换热式：热效应较大时塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等；塔内液体层中可放置填料；塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。
1.3 鼓泡塔类型1.3.1空心式图1.3.1 空心式鼓泡塔图1.3.2 多段式鼓泡塔空心式鼓泡塔如图1.3.1所示，塔内不含塔板和液体分布器，最适用于缓慢化学反应系统或伴有大量热效应的的反应系统。
塔式反应器
直径不超过75mm的散装填料，可取最小
润湿速率 (LW)min=0.08 m3/（m·h）；
对于直径大于 75mm的散装填料，
(LW)min =0.12 m3/（m·h）。
填料表面润湿性能与填料的材质有关。 常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，
以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿 性能最差。
反应在液相内进行，为液相控制。
化学吸收可以大大降低塔的高度， 而物理吸收塔过高，不能够实现。
2
5.1 概述
一、塔式反应器特点及应用
1．填料塔---快速和瞬间反应过程，特别适合与低压和介质 具有腐蚀性的操作。
2．板式塔---中速和快速反应过程。大多采用加压操作，适 用于传质过程控制的加压反应过程。
3．喷雾塔---瞬间反应过程，适合于有污泥，沉淀和生成固体 产物的体系，气膜控制的反应系统，气液两相返混严重。
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液体再分布器
作用: 减轻液体流动时， 逐渐增大的壁流现象。
如令每段填料层的高度为Z， 塔径为D，对乱堆拉西环， 取
随着填料性能的改进， 之值可增大， 该值一般在3至10之间。
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气体入口布气结构
作用：防止气体直接冲刷填料层。 当塔径小时,将进气管做成向下45º的切口, 以免气
体直接冲刷填料层。对大塔，气体入塔向下 方做成喇叭形以扩大或多空管气体分布器。
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液体喷淋密度: 指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积， 以U表示，单位为m3/m2·h）。
Umi n (Lw)mian
式中 U min ——最小喷淋密度，m3/（m2·h）； (LW) min ——最小润湿速率，m3/（m·h）； a ——填料的比表面积，m2/m3。
最小润湿速率:在塔的截面上，单位长度的 填料周边的最小液体体积流量。
反应器(反应釜)的结构和工作原理
反应器（反应釜）的结构和工作原理反应器是一种实现反应过程的设备，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
第一部分：按操作方式分1、间歇釜式反应器或称间歇釜操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。
间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。
但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。
连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。
当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。
半连续操作反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。
反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。
间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。
另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。
缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。
2、连续釜式反应器,或称连续釜可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。
在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。
在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。
此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。
大规模生产应尽可能采用连续反应器。
连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。
其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。
鼓泡塔反应器的基本结构
6.2.1鼓泡塔反应器的基本结构
1、基本结构
鼓泡塔的基本结构。
简单鼓泡塔
1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩大段
主要由塔体和气体分布器组成。
塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等；塔内液体层中可放置填料；塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。
简单鼓泡塔内液相可近似视为理想混合流型，气相可近似视为理想置换流型。
最佳空塔气速应满足两个条件：（1）保证反应过程的最佳选择性；(2）保证反应器体积最小。
影响传质的因素：
当气体空塔气速低于0.05m/s时，气体分布器的结构就决定了气体的分散状况、气泡的大小，进而决定了气含率和液相传质系数的大小。
当气体空塔气速大于0.1m/s时，气体分布器的结构无关紧要。
此时的气泡是靠气流与液体间的冲击和摩擦而形成，气泡大小及其分布状况主要取决于气体空塔气速。
高粘性物系常采用气体升液式鼓泡塔
气体升液式鼓泡塔
1-筒体；2-气升管；3-气体分布器
塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。
特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多。
简单鼓泡塔中气体空塔速度不超过1m/s，气体升液式鼓泡塔中气升鼓泡管内气体空管速度可高达2m/s，换算至全塔截面的空塔气速可达1m/s，其液体循环速度可达1～2m/s。
鼓泡塔设计-反应器设计.doc
目录一、项目简介 (1)二、反应器选择 (1)2.1 工艺流程 (1)2.2 鼓泡塔介绍 (2)2.2.1 鼓泡塔反应器的分类 (2)2.2.2 鼓泡塔反应器的特点与结构 (4)2.2.3 鼓泡塔中的传质 (6)2.2.4 鼓泡塔中的传热 (6)三、初步设计 (6)3.1 PX氧化宏观动力学 (6)3.1.1宏观反应动力学 (6)3.1.2 PX氧化反应宏观动力学 (7)3.1.3 氧化反应机理 (8)3.2反应段模型的建立[7] (11)3.2.1 模型作如下假设： (11)3.2.2模型方程 (11)3.2.4 质量衡算 (13)3.2.5 热量衡算 (14)3.2.6 参数估算 (14)3.2.7 模型的求解 (17)3.3 影响PX氧化反应的工艺条件 (18)四、总结 (19)五、参考文献 (20)对二甲苯氧化过程中的鼓泡塔设计一、项目简介精对苯二甲酸（PTA）是生产聚酯的主要原料，PTA生产历史可以一直追溯到上世纪二十年代，继英国帝国化学工业公司（ICI）和美国杜邦公司（Dupont）开始生产高性能聚酯纤维开始，聚酯工业的发展极大的刺激了主要原料PTA生产技术的变革。
PTA合成方法曾先后采用：硝酸氯化法，Dupont公司开发的以钴为催化剂的空气氧化法，Witten公司开发的酯化氧化法（DMT），以及具有划时代意义的1958年由Mid-Century公司发的MC氧化工艺。
如今，工业上主要采用Co-Mn-Br为催化剂由对二甲苯（PX）经空气氧化制得[1]。
主要工艺有Amoco、三井和Dupont三大公司的专利技术。
三种工艺的基本流程大致相同，均采用Amoco-MC高温氧化法[2]。
对二甲苯（PX）氧化制对苯二甲酸（TA）是聚酯工业的一个重要生产过程，同时也是一个液相催化氧化过程。
工业氧化反应在185 ~ 224 ℃、1 ~2 MPa 下进行，采用Co-Mn-Br 三元复合催化剂，醋酸为溶剂，空气为氧化剂，反应物PX 经过一系列自由基反应步骤顺序生成醇、醛、酸，并最终转化为固体产物TA。
鼓泡塔反器2
kpa
式中 C2=0.8 （小孔阻力系数） u0：小孔气速，m/s 鼓泡层密度,kg/m3
鼓泡塔的传质 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。
鼓泡塔反应器 鼓泡塔反应器的特点与结构 鼓泡塔反应器的传质 鼓泡塔反应器的计算
鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器的特点与结构 特点： 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， 既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。 这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的 反应。 鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决， 用于高压时也无困难。 鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
VC：
式中
πD 3 VC = 12ϕ ：形状系数，球盖： ϕ
=1 标准椭圆形封头：ϕ =2
反应器直径和高度的计算 D
4VG D= 3600πu OG
m
H H=HR+HE+HC
H 3< < 12 D
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 条件：
鼓泡反应器
鼓泡反应器bubbling reactor以液相为连续相，气相为分散相的气液反应器。
有槽型鼓泡反应器、鼓泡管式反应器、鼓泡塔等多种结构型式，其中鼓泡塔应用最广。
液体分批加入，气体连续通入的称为半连续操作鼓泡塔。
连续操作的鼓泡塔气体和液体连续加入，流动方向可以为向上并流或逆流。
鼓泡塔多为空塔，一般在塔内设有挡板，以减少液体返混；为加强液体循环和传递反应热，可设外循环管和塔外换热器。
鼓泡塔中也可设置填料来增加气液接触面积减少返混。
气体一般由环形气体分散器、单孔喷嘴、多孔板等分散后通入。
气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。
编辑本段主要形式有①鼓泡塔气体从塔底向上经分布器以气泡形式通过液层，气相中的反应物溶入液相并进行反应，气泡的搅拌作用可使液相充分混合。
鼓泡塔结构简单，没有运动部件，适用于高压反应或腐蚀性物系。
②鼓泡搅拌釜又称通气搅拌釜，利用机械搅拌使气体分散进入液流以实现质量传递和化学反应。
常用的搅拌器为涡轮搅拌器，气体分布器安装在搅拌器下方正中处。
鼓泡搅拌釜因搅拌器的形式、数量、尺寸、安装位置和转速都可进行选择和调节，故具有较强的适应能力。
当反应为强放热时，上述两种反应器均可设置夹套或冷却管以控制反应温度;还可在反应器内设导流筒,以促进定向流动；或使气体经喷嘴注入，以提高液相的含气率，并加强传质。
与填充塔、板式塔相比，鼓泡反应器的主要特点是液相体积分率高（可达90%以上），单位体积液相的相界面积小（在200m2/m3以下）。
当反应极慢，过程由液相反应控制时，提高以单位反应器体积为基准的反应速率主要靠增加液相体积分率，宜于采用鼓泡反应器。
当反应极快，过程由气液相际传质控制时，提高过程速率主要靠增加相界面积，则以采用填充塔或板式塔为宜。
1、基本结构鼓泡塔的基本结构。
简单鼓泡塔1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩大段主要由塔体和气体分布器组成。
鼓泡塔反应器的特点结构、传质、工艺计算
Re0 d0u0 G
G
<200
气泡群的直径的计算
a.当量比表面直径dVS：
b.体积平均直径dV：
c.几何平均直径dg：
含气率：
单位体积充气层内气体所点的体积分率。
εOG：静态气含率。液体不流动时的气含率。 εG：动态气含率。液体连续流动时的气含率。
比相界面a：
单位反应器有效体积气泡的表面积。m2/m3VE D2HE 4Fra bibliotek
VC：
式中 ：形状系数，球盖： =1 标准椭圆形封头： =2
D 3 VC 12
D
反应器直径和高度的计算
4VG D 3600 uOG
m
H
H=HR+HE+HC
H 3 12 D
1 .61
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。
鼓泡塔反应器的计算
反应器体积
充气层的体积：VR=VG+VL 分离空间体积：VE 顶盖死区体积：VC
VL: 半连续操作时：VL=VOL(τ+τ') 连续操作时：VL=VOL
计算液膜传质过程可用以下公式：
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鼓泡塔反应器的特点与结构
特点： 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，既与液 相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。 这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于
2）。 图1 空心式鼓泡塔
1－塔体；2－夹套； 3－气体分布器
图2 具有塔内热 交换单元的鼓泡塔
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为克服鼓泡塔中 的液相返混现象， 当高径比较大时， 常采用多段鼓泡 塔，以提高反应 效果（见图3）。
图3多段式气液 鼓泡塔
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当高粘性物系，例如生化工程的发酵、 环境工程中活性污泥的处理、有机化工 中催化加氢（含固体催化剂）等情况， 常用气体提升式鼓泡反应器（见图4）或 液体喷射式鼓泡反应器（见图5），此种 利用气体提升和液体喷射形成有规则的 循环流动，可以强化反应器传质效果， 并有利于固体催化剂的悬浮。此类又统 称为环流式鼓泡反应器。它具有径向气 液流动速度均匀、轴向弥散系数较低， 传热、传质系数较大，液体循环速度可 调节等优点。
• 2010年，浆态床鼓泡反应器是一种气液固多相反应器，发 展至今，已被广泛应用于许多领域， 它具有结构简单、 持液量大、温度梯度小、固相能在线加载以及操作成本低 等优点。最初是由R hei nprussen 和 K oppers 于 1955 年建起 了浆态床试验装置 ，用于尝试将三相浆态床反应 器来代 替固定床 ；K ol bel和 R al ek等在 1950 到 1980 年期间完成了对浆态床 F — T 合成的深度研究；由 A i r Product and C hem ical s 公司和 East m an C hem i cal 公司发展的液相合成甲醇以及 Sasol公司(南非)发展的浆 态床费托合成过程都是成功使用浆态床的经典范例 • 尽管国内外已经对浆态鼓泡床反应器的流体力学进行 了 大量研究 ，但由于多相流动过程的复杂性，对反应器 内 流体力学 的研究尚处于发展阶段 ，因此有必要对浆态床 反应器内流体力学行为进行更加详细深入的研究。
图4气体提升式 鼓泡反应器
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或
液体喷射式鼓泡反应器 （见图5）， 此种利用气体提升和液体 喷射形成有规则的循环流动， 可以强化反应器传质效果， 并有利于固体催化剂的悬浮。 此类又统称为环流式鼓泡反 应器。它具有径向气液流动 速度均匀、轴向弥散系数较 低，传热、传质系数较大， 液体循环速度可调节等优点。 图5液体喷射式 鼓泡反应器
高压时也无困难。 鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
储液量大，适于速度慢和热效应大的反应。液相轴向返混严重，连续操作型
反应速率明显下降。在单一反应器中，很难达到高的液相转化率，因此常用 多级彭泡塔串联或采用间歇操作方式
结构
塔体： 气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传质。是气液相鼓泡塔的 关键设备之一。 型式：多孔板 喷嘴 多孔管等 3、换热装置： 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。 4、水平多孔隔板：提高气体分散度，减少液体纵向循环。
鼓泡塔反应器的历史动态
• 自1971年来，千代田开发出了第一个脱硫 工艺，千代田公司继续改进和发展这项技 术,于1976年开发出了更为先进的工艺，这 项先进的技术将二氧化硫的吸收,氧化,中和, 结晶以及除尘等几个必不可少的工艺过程 合并到一个单独的气相-液相-固相反应器中 进行。这个反应器就叫做鼓泡式反应器 (JBR)。
• 2014 近年来，随着我国对苯二甲酸(PTA) 产能的快速增加，单套PTA装置的生产能力 大幅提高。其中，核心设备对二甲苯(PX) 氧化反应器的生产能力越来越大，单套反 应器的生产能力已达到75万t/a。PX氧化反 应涉及了气、液、固三相，在反应器内， 氧化反应、传质、传热同时进行，在反应 器生产能力逐步增加的过程中，带有水富 集段的鼓泡塔式反应器得到了很好的放大 和应用。
鼓泡塔的优缺点
优点:鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控
制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时
也无困难。
缺点:鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚
并，故效率较低
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鼓泡塔的分类
工业所遇到的鼓泡塔反 应器，按其结构可分为空 心式、多段式、气体提升 式和液体喷射式。 空心式鼓泡塔（见图1）在 工业上有广泛的应用。这 类反应器最适用于缓慢化 学反应系统或伴有大量热 效应的反应系统。若热效 应较大时，可在塔内或塔 外装备生产藏红花素的研究 • 2012年精对苯二甲酸(PTA)是合成聚对苯二甲酸 乙二醇酯的重要原料，随着国内聚酯工业的高速 发展，PTA产能越来越大。鼓泡塔式反应器结构 简单、运行可靠、制造成本低，已成功用于规模 化生产的PTA装置。采用鼓泡塔式反应器，对对 二甲苯(PX)氧化结晶生成对苯二甲酸(TA)的工艺 过程有着很大的进步和加大了生产量。为股跑塔 式反应器的进一步研究及工业化应用提供基础实 验数据。
• 20世纪70年代以后，有关鼓泡塔的研究日 益活跃，除标准型鼓泡塔外，又开发了各 种各样的改型鼓泡塔（射流喷射型、气液 下流型、双管式、多段式、填充式等）和 悬浊鼓泡塔等。图1是各种鼓泡塔的示意图， 从图中可见，在鼓泡塔中，气液两相基本 呈并流和逆流两种。
1987年处理废水
• 这些处理废水的方法是在鼓泡塔式(Bubble COlumns简称BC) 生物反应器基础上发展起来的。 这些方法都还有望进一步提高其处理效率 如增强 流体流动 强化气液传质便是一个行之有效的方法。 其中气升式循环生物反应器(Airlift LOOp 简称AL) • 生物反应器用有机玻璃管制作, 直径18Omm,高 5OOmm, 中间有一个可拆卸的直径为1OOmm, 高为3OOmm 的内循环管 工作体积8L 如图1 所示, 安装上循环管就是气升式内循环生物反应器(AL) ; 不安装内循环管则成为鼓泡塔式生物反应器(BC)