（化学工艺专业论文）多级气液固三相反应分离复合设备放大规律的研究.pdf

中文摘要 本文以多级气液固三相反应分离复合设备为研究对象，建立了大型冷模试验 装置，对该类型反应分离复合设备的放大问题进行了系统研究。 通过周密的研究以及冷模设备上的试验验证，提出了适合该类型设备的支撑 结构型式、密封方法及内置式换热单元。解决了级间催化剂密封、反应温度控制 以及工业放大等问题。 首次系统地研究了以强酸性阳离子树脂为催化剂的塔板上的流体力学状况， 提出了修正的液层高度、气含率以及塔板压降的计算关联式。以上关联式可以作 为放大准则直接应用于该类型设备的放大设计之中。 第一次将“计算流体力学”作为辅助研究手段引入到该类型设备的流体力学 研究之中。通过大量的二次开发工作，筛选了数学模型，找出了适宜的定义方法， 并在此基础上对二维及三维的模型进行计算，获得了有益的结果。为该类型反应 设备的放大方法的模型化奠定了基础。 多级气液固三相反应分离复合设备能有效地将分离手段结合到反应过程中， 具有反应速率高、温度易于控制等诸多优点。本文研究结果对于该类型设备在化 学工业中的应用具有一定的指导意义。 关键词：三相反应分离复合设备、结构形式、放大规律、c f d a b s t r a c t t h er o l eo f s c a l e - u po ft h r e e p h a s er e a c t i o na n ds e p a r a t i o ne q u i p m e n ti n c l u d i n g t h es t r u c t u r eo f t h ee q u i p m e n t ，t h ea i r t i g h tm e t h o d ，h e a te x c h a n g ea n d t h ee f f e c to f t h e c a t a l y s tp a r t i c l e s0 1 1t h ef l u i ds t a t u si ss y s t e m i c a l l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f u r t h e r m o r e t h ef i x c de q u a t i o n so fl i q u i dh e i g h t ，g a sh o l d - u pa n dp r e s s u r ed r o pa l ee d u c e d ， s e p a r a t e l y s i m u l t a n e o u s l y , t h et h r e e - d i m e n s i o nf l o w s t a t u sa l es i m u l a t e db yc f ds o r w a r e ， p r o v i d i n g t h em a t h e m a t i cm o d e lf o u n d a t i o nf o rt h ei n d u s t r i a ls c a l e - u pa p p l i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h r e e - p h a s er e a c t i o na n ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t c a ne f f e c t i v e l yc o m b i n et h es e p a r a t i o na n dr e a c t i o np r o c e s s a n di t w i l lb e n e f i tt h e a p p l i c a t i o n o f t h ee q u i p m e n ti nc h e m i c a li n d u s t r y k e y w o r d s ：t h r e e - p h a s e r e a c t i o na n ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t ，s t r u c t u r e ，s c a l e 。u p ，c f d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本文研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：圈砟签字日期：硼) 耳1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学可以将学位论文的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：田弗 签字日期：矽弭1 f j 导师签名：弓乞彦琶譬， 签字嗍：帚局 ，o -j 第一章前言 第一章前言 采用符合“绿色工艺”要求的树脂或分子筛等固体催化剂取代传统的液态酸 碱催化剂，是对传统高污染生产进行革新的重要手段。由于采用了固体催化剂， 反应生成物与催化剂分离变得十分容易，这样不仅简化了生产过程，也免去了为 去除残留在反应产物中的酸碱催化剂而进行的水洗或其它净化过程，避免了对环 境的污染。采用固体催化剂的气液固三相反应即为非均相反应，近年来在化学工 业中得到越来越广泛的应用。在氧化、氢化、烃化、氯化、氨解、混合气体转变 成为碳氢类化合物的合成反应以及生物废水的处理过程中均涉及到了三相反应。 如果将分离手段结合到反应过程中，及时移走反应生成物可以大幅度地提高 整个反应过程中的转化率，具有更加明显的优势。 本文所研究的三相多级分离复合设备是应用于双酚a 工业生产的一种新型 反应器。由于该过程可以及时移出反应生成物水以使生成双酚a 的缩合反应单程 转化率大幅度提高，成为双酚a 生产工艺中的重要创新。但是由于缺少必要的放 大方法及准则，在工业试验中遇到一些困难。为解决该问题，本文重点研究了三 相多级分离复合设备的结构形式( 支撑结构、密封形式和移热设备) 以及放大规 律( 催化剂均匀悬浮、临界气速、液层高度、气含率和塔板压降) ，并提出了放 大准则。 第二章文献综述 第二章文献综述 本文所研究的多级气液固三相反应分离复合设备复合了反应和分离的双 重功能，与通常使用的三相反应器相比，具有多级串联、高径比小等特点。迄今 为止，还没有学者对该类型设备进行系统的研究。在以下内容中，本文对前人所 做的有关三相反应器的研究工作进行了全面总结。 2 1 三相反应器的分类及优点 2 1 1 三相反应器的分类 按照反应器中流体流动方式，一般将三相反应器分为以下五种类型：涓流床， 搅拌釜，携带床，淤浆床与流化床【1 】。涓流床反应器在三相反应器中应用较早， 它是在固定床反应器的基础上发展形成的三相反应器。在该类型反应器中，固体 催化剂粒子构成固定层，液体以滴状自上而下流动，气体则自上而下或自下而上 的流动。搅拌釜反应器消耗功耗大，主要用于实验室动力学研究。在该类型反应 器中，三相物料在搅拌桨的强力搅拌下，成为全混状态，从而使三相传质、传热 都得到加强。对于携带床反应器，近年来应用和研究都很少。在携带床反应器中， 固体颗粒随着液体一同进入反应器，在反应器顶部与气体完全分离后，与液体一 同流出反应器，经过储槽缓冲后再由浆料泵打入反应器中，携带着固体运动。淤 浆床三相反应器是利用气流的作用搅动浆液( 液体与悬浮在液体中的固体所形成 的固液混合体) ，使浆液在整个反应器中运动。三相流化床反应器，是一种流动 状态类似于两相流化床反应器的一种反应器。这种反应器中，至少会有一相流体 从反应器底部进入，使固体粒子在反应器中成为流化的状态。 2 1 2 三相反应器的优点 近年三相反应器研究重点是三相淤浆床和三相流化床反应器的流动状态及 工业化应用。上述两种反应器具有下述优点【2 】【3 】： 第二章文献综述 1 ) 气体或液体使固体催化剂粒子悬浮，有利于提高反应和传递性能； 2 ) 反应器内部处于全混流状态，反应温度均匀，控温简单有效，反应可在 最佳温度下进行，有助于提高催化剂的选择性： 3 ) 反应器中可以设置传热构件，因此特别适用于强放热的化学反应过程； 4 ) 反应器操作弹性大，适应性强。 2 2 三相反应器的研究综述 根据前人研究工作的内容及特点，可将三相反应器研究历程按时间分为三个 阶段。 2 2 。11 9 6 0 年- 1 9 8 0 年 下 这一阶段的研究工作主要集中在反应器的一些基本因素，所做的主要工作如 1 ) 测定了在给定气速下保持固体悬浮的临界固含率； 2 ) 研究了塔板开孔分布、固体颗粒尺寸、液体表面张力、液体粘度、固体 润湿度、塔釜形式以及塔径对临界固含率的影响； 3 ) 研究了临界气速的影响因素。 这一阶段的代表人物有r o y ，i m a k u f u ，n a r a y a n a n 等。 2 _ 2 1 1r o y 等人的研究工作 1 9 6 4 年，r o y 等人【4 】研究了有关临界固含率的影响因素。测得了在给定气速 下能保持固体悬浮的临界固含率：研究了分布器的形式、固体颗粒的直径、液体 表面张力、液体粘度以及固体润湿度对临界固含率的影响。研究结果表明：在给 定空塔气速下，分布器对临界固含率的影响存在两个区域。当空塔气速处于较低 状态时，临界固含率与分布器的形式有关；在较高空塔气速下，临界固含率与分 布器的形式无关。例如对于石英粒子，试验测得的两个区域的分界值为o 2 8 m s 。 第二章文献综述 2 2 1 2i m a k u f u 等人的研究工作 1 9 6 8 年，i m a k u f u 等人5 1 研究了分布器形式以及塔釜形式对于临界气速的影 响。结果表明随塔径尺寸的增加，临界气速增大。对于较大直径的塔，塔釜结构 形式和分布器位置对l 临界气速的影响很大。 2 2 1 3n a r a y a n a n 等人的研究工作 1 9 6 9 年，n a r a y a n a n 等人”1 研究了塔径与反应区高径比对临界气速的影响。 研究结果表明：临界气速随着塔径的增加而增加。临界气速与反应区的高径比有 关。 附录1 中列出了以上研究工作的试验条件。 2 2 21 9 8 0 年- 1 9 9 0 年 在这一阶段，研究者们对影响临界气速的因素进行了更为广泛的研究。所做 的主要工作为：研究了塔径、混合粒径尺寸、引液管、分布器、固含率、塔釜形 式以及塔板上所加的金属网对临界气速的影响。这一阶段的代表人物有k o i d e ， p a n d i t ，h e c k ，s c h u m p e 等。 2 2 2 1k o i d e 等人的研究工作 1 9 8 3 年，k o i d e 等人。1 的研究工作得出以下结论：临界气速随着固体颗粒尺 寸、固含率、反应器直径的增加而增加。当静液层高在0 5 - 1 5 0 m 时( 高径比在 3 3 3 1 0 范围内) ，液层高度对于临界气速的大小没有影响。有关临界气速的关 联式为： 嚣- o 跏( 喇p l “6 ( 竭p s ) “6 ( 矧s n “2 卜。，( 筹p l 厂8 y “llly 。【lj j 卜2 ( ，一矿”降7 4 公式( 2 - 1 ) 第二章文献综述 1 9 8 4 年，k o i d e 等人【8 】的研究结果表明：使用引液管可以降低临界气速。所 提出的气含率关联式如下【9 】： 南吼( 纠一5 2 ( 1 + 4 弼 ( 警厂1 矿6 8 - l 1 9 8 6 年，k o i d e 等人“”的研究结果表明：塔径对于采用混合粒径粒子的系统 中临界气速的影响与对采用单一尺寸粒径系统中临界气速的影响相似。k o i d e 等 人还对公式( 2 - 1 ) 进行修正，修正后的临界气速的关联式见下式： 苦“s 。斛t p s ) ”( 警厂 竽 “( 挚八旷 盯4 1 + 8 9 ，协fg j 刊4 ”膀例旷( 卅m ( 一叫 2 2 2 2p a n d i t 和j o s h i 的研究工作 1 9 8 4 年，p a n d i t 和j o s h i “”系统地研究了粒径、固含率、高径比以及塔径 对于临界气速的影响。提出临界气速与固体颗粒直径、固体密度及固体颗粒的终 端速度有关，可以利用连续降液方式降低临界气速的大小。 p a n d i t 和j o s h i o ”试验过程中，为了研究在筛板式分布器上布有较多筛孔 的情况，分别在分布器的上下铺设丝网。表2 一l 列出了有关情况。安装丝网的试 验反应器直径为2 0 0 m m ，固体粒径在1 0 0 2 1 0 0ui n 范围内，采用了两种丝网放 置方式。 p a n d i t 和j o s h i 研究结果表明：丝网安置在塔板下方时的l 临界气速要小于 将丝网安置在塔板上方的情况。 第二章文献综述 表2 - 1 ：丝网使用状况表 塔径塔板形式丝网形式 ( i i i m )孔径( 1 1 1 1 1 1 )孔数( 个)开孔率( )孔径( m )孔数( 个)放置形式 2 0 01 51 8 01 0 1 2o 0 7 11 5 0置于塔板下 2 0 01 51 8 01 0 1 20 0 7 11 5 0置于塔板上 2 2 2 3h e c k 和o n k e n 的研究工作 性。 1 9 8 7 年，b e c k 和0 n k e n 。”在研究中发现：三相反应器的临界气速存在滞后 2 2 2 4s c h u m p e 和d e c k w e r 的研究工作 1 9 8 7 年，s c h u m p e 和d e c k w e r 2 l 根据文献中的近2 0 0 个数据总结得出有关气 含率的关联式： = 0 2 0 8 0 4 1 3 g a o “f r o 5 公式( “) 此关联式适用范围为均相流体，采用该关联式所得的结果比a k i t a 和 y o s m d a 的关联式“1 要好一些，但与试验结果相比存在8 1 的偏差。 附录2 中列出以上研究工作的试验条件。 2 2 319 9 0 年一今 自1 9 9 0 年以后，对三相反应器的研究主要集中在反应器在某一特定化工过 程的应用以及反应器细节结构等方面。这一阶段的代表人物有m o h a m m e d z a n a b t a w i ，a b r a h a m 等。 2 2 3 1m o h a m m e dz a n a b t a w i 的研究工作 1 9 9 2 年，m o h a m m e dz a n a b t a w i “”具体研究了不同喷嘴对于三相反应的影 响，得出有关气含率的关联式为： 6 第二章文献综述 = 0 0 8 7 6 u “”o 占于”6 h o2 “d ，。7 6 公式( 2 5 ) m o h a m m e dz a n a b t a w i 认为在三相反应器中，喷嘴的尺寸和形式对气含率基 本上没有影响，修正公式( 2 5 ) 得到下面的关联式： = o 1 2 7 u ：- 6 7 0 s s - o _ 。“h o 2 3 4 2 2 3 2a b r a h a m 等人的研究工作 公式( 2 - 6 ) 1 9 9 2 年，a b r a h a m 等人旧研究固含率及固体颗粒在床层中的分布情况对传质 过程的影响。得出有关气含率的关联式为： 纠甜卜7 1 t o l - 0 1 8 0 - 0 2 1 l ( 立学 p “唧喀- 0 习矧z 棚 该关联式适用于空气水，纯液体固体系统，当缺乏相关文献数据时，可对三 相反应的气含率进行计算。 2 2 3 3 其它学者的研究工作 1 9 9 3 年，天津大学石油化工技术开发研究中心“”将气一液一固三相悬浮床反 应器应用到双酚a 生产装置中。 1 9 9 7 年，中国石化总公司化工科学研究院慕旭宏、宗保宁等人“7 1 研究氢气一 原料油一铁粉颗粒三相系统下，磁稳定流化床的操作状态对反应结果的影响。 1 9 9 8 年，华东理工大学的李涛、丁百泉、朱炳辰等人“埘在对三相流化床反 应器的流体力学进行研究之后，利用多元线性逐步回归法，得到塔板压降以及气 含率的关联式： a p = 3 9 6 8 7 1 1 u “”( ，孑”s f ” 公式( 2 8 ) 第二章文献综述 占g = 0 9 5 5 9 u l o “”u 。o 5 “6 r 2 7 8 u c = 0 0 0 0 1 6 u 8 5 。掣o 公式适用范围：0 1 4 u l ( c m s ) o 6 1 0 5 u c ( c m s ) 6 5 1 0 。4 0 公式( 2 - 9 ) 公式( 2 一l o ) 1 9 9 9 年，华东理工大学化学工程系的张吉波、丁百全等人“”提出有关三相 淤浆床甲醇合成器的数学模型。 2 0 0 0 年，天津大学化工学院张金利等人将三相反应器用于染料废水的处 理。 2 3 计算流体力学( c f d ) c f d 2 1 3 0 1 为“c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ”( 计算流体力学) 的缩写。近年 来作为辅助技术手段用于流体力学的研究。通过使用c f d ，建立试验装置的数 学模型，通过计算机模拟对研究对象的流体力学状况进行研究及预测。近些年来 c f d 技术日臻完善，不仅能对流体的流动状态进行模拟，而且能预测出传质、 传热、相变、t 化学反应、机械运动以及相关固体物质的压缩和变形。 f l u e n t 软件 3 1 - 3 5 1 是美国f l u e n t 公司开发的c f d 产品，由于其强大的功 能，使得其在c f d 领域占有很高的地位。f l u e n t 主要适用于包含了化学反应。 多相流，热传递的可压缩或者不可压缩流体以及层流或者湍流的情况。 从1 9 9 6 年f l u e n t 正式发布以来，f l u e n t 软件在化工领域主要应用于两 相流体【3 6 1 1 3 ”，对气液固三相流体的模拟计算至今还未见报道。 2 4 本文研究内容 本文以应用于双酚a 缩合反应过程的气液固多级三相反应气提复合设各 第二章文献综述 为研究对象。该复合设备具有三相反应器与气体气提塔的双重功能，在设备结构 上有其特殊性。为寻求适合该类型设备的放大方法和规律，本文建立了大型冷模 设备，并对设备型式及流体力学状况进行研究。 2 4 1 设备结构形式的研究 对于该类型反应器，板上放置小粒度的催化剂粒子( 粒径在0 6 r a m 左右) 。 为使反应器能长期稳定运行，必须将催化剂限制在特定的反应区域内，不允许存 在催化剂在反应级间及反应区与溢流区之间的泄漏。因此对密封要求格外严格。 由于传统的板式塔支撑结构本身存在安装公差，不能满足以上要求，所以需要对 传统的板式塔支撑结构及板与梁之间的密封方式等进行改进。除此之外，为保证 板上反应级之间处于适宜的反应温度，还需要对级闻的换热设备进行研究。 2 4 2 放大准则的研究 该类型反应器的板上液层比一般板式塔高。增加了催化剂之后，板上气体分 布情况、液层高度、气含率及塔板压降等放大过程中所需的重要参数都和两相流 体之间存在很大差别。由于本研究对象具有多级和小高径比的结构特点，以前的 三相反应器的研究结果不能完全套用。因此需要针对本类型反应器的特点提出催 化剂均匀悬浮、临界气速、液层高度、气含率以及塔板压降的专有放大准则。 2 4 3 流体力学计算 为改善三相反应器流体力学的研究手段，提高研究水平，本研究将f i j j e n t 软件应用于三相反应器流体力学状况t 3 8 - , t o 的研究，并进行关键流体力学参数的预 测。 第二章文献综述 第三章设备结构型式的研究 图3 1 是本研究所建立的多级气一液固三相反应器的结构示意图。图中每一 级反应器的结构参照板式塔进行设计。所不同的是每一层塔板上均匀放置固体催 化剂。为保证反应器连续稳定操作，催化剂不允许在级间泄漏。同时，为了有效 控制反应温度，每级反应器需设置换热单元。 1 0 第三章设备结构形式的研究 本章主要从支撑结构、催化剂密封和内置换热单元三个方面对其结构形式进 行研究。 3 1 支撑结构 对于直径超过8 0 0 m m 的塔设备，一般采用分块塔板【3 引。在常规的板式塔设 计中，分块塔板的安装采用自支撑结构。由于受制造精度及安装公差的限制，自 支撑梁与主梁的搭接处在设计中必须留出缝隙，这对常规精馏或其它分离过程是 可以接受的，但应用于本类型设备必然造成催化剂粒子泄漏。为克服这一困难， 设计中采用了主梁与支梁的支撑结构。这种支撑结构可以有效的消除支撑梁与塔 板之间的缝隙，不会造成搭接处催化剂的泄漏。冷模试验运行结果证明，该结构 形式实用可行。图3 - 2 为塔板支撑结构示意图。 第三章设备结构形式的研究 3 2 催化剂密封 3 2 1 板间密封 本研究所采用的催化剂为强酸性阳离子树脂，粒子直径较小，主粒度在0 6 m m 左右。为防止催化剂粒子从塔板上的筛孔处泄漏，板上需铺以丝网。由于塔板上 气液错流接触，搅动激烈，如何固定丝网亦成为需要解决的问题。曾试验过丝网 与塔板采用点焊以及用丝网捆绑的方法，但都不成功。通过多次试验发现，采用 骨架丝网配压紧螺栓来固定细丝网的方法易行可靠，在实际应用中收到了很好的 效果。 3 2 2 搭接密封 虽然通过支撑结构的改进消除了梁与板之间的公差缝隙，但是同为金属结构 的梁与板之间的搭接很难做到完全吻合，在初期试验中发生多次催化剂的泄漏问 题，解决该问题遇到了一定的困难。因为采用弹性较好的橡胶垫无法耐受双酚a 生产中苯酚的溶胀作用，采用四氟又太硬而密封性能差，最终找到一种芳纶纤维 软垫，有效的解决了该难题，在试验中效果很好。 3 2 3 级间密封 板上催化剂粒子会随着液体流向溢流堰，为避免催化剂粒子穿过溢流堰丽流 入下一层塔板，需要在堰上设置细目丝网，以使催化剂保留在反应区内。借助于 板间密封的方法，将细丝网固定在骨架丝网上，即保证催化剂粒子不穿出溢流堰， 又保证液体的流动通畅。 3 3 内置换热单元 本研究所涉及的双酚a 缩合反应为放热过程，反应温度是一个很重要的参 数，需要通过内置换热设备加以控制。对本类型设备，内置换热设备的型式应满 足以下条件： 第三章设备结构形式的研究 图3 - 3 ：塔内冷却盘管 第三章设备结构形式的研究 1 ) 安装简单； 2 ) 换热设备本身不能影响到塔板上流体的流动状态； 3 ) 检修容易。 经过多次方案设计及论证，本研究采用了图3 3 中所示的可抽拉式换热单元。 该型式换热单元的主要特点是：主冷却管与板上液体流动方向一致，在保证移热 的同时，又保证冷却盘管不会影响到板上流体的流动状况。而且抽拉式的结构设 计又使其易于拆装及检修。图3 3 为塔内安装的冷却盘管，图3 4 为冷却盘管安 装示意图。 1 4 第四章冷模试验研究 4 1 试验装置 4 1 1 试验流程 第四章冷模试验研究 本试验装置主要是由“多级气液固三相反应分离复合设备”( 简称为试验塔) 、 鼓风机、循环泵及相应的控制检测系统组成。空气经鼓风机k - 1 0 1 增压后进入试 验塔r - 1 0 1 的下部，通过三层塔板，自塔顶排出。通过调节旁路阀的开度来改变 并控制进入试验塔的气量。液体由塔釜循环泵p 1 0 1 送入第一层塔板的内堰，逐 层降至塔釜。经过塔釜循环泵p 一1 0 1 循环使用。通过泵后循环管路的阀门来改变 并控制该循环液的流量。图4 1 为本冷模试验的流程示意图。 4 1 2 试验物系 气相：空气 液相：水 固相：强酸性阳离子树脂 4 1 3 试验设备 1 ) 试验塔 塔径：2 m 塔高：5 1 3 m 级数：3 层 塔板开孔率：4 孔径：4 m m 塔板间距：6 0 0 r a m 堰高：1 5 0 r a m 第四章冷模试验研究 6 第四章冷模试验研究 由于液流量较小，采用齿形堰。溢流堰及内堰均以6 0 目丝网密封。采用弓 形降液管。 塔板上设置可抽拉式的冷却盘管。塔壁上设有观察视镜，用于观察塔内鼓泡 状态以及催化剂粒子的分布状况。 2 ) 附属设备 其它辅助设备详见表4 1 。 表4 一l ：动力一览表 型式流量压头( 扬程)功率 离心式鼓风机 4 0 m 3 m i n o 0 5 m p a 4 5 k w 不锈钢离心泵 1 0 0m 3 l l2 5 m 4 1 4 控制及检测系统睁”1 1 ) 控制系统 采用计算机控制系统。系统由工控机、信号采集与转换系统以及一次检测仪 表构成。 2 ) 检测仪表 为保证试验结果的可靠性，本研究所选用的主要检测仪表均为进口产品。主 要性能及规格详见表4 - 2 。 表4 - 2 ；仪表一览表 仪表位号名称个数型式量程备注 p i - 0 2塔釜压力计1二线制0 0 5 m p a远传 p d g 一0 4压差计1 8 k p现场 p d g - 0 5压差计1 8 k p现场 p d g 0 6压差计l 8 k p现场 p i g - 0 4压差计1 二线制 6 k p a远传 p i g - 0 5 压差计 l 二线制 6 x p a 远传 p i g - 0 6压差计l二线制6 k p a远传 f i - 0 1气体流量计l涡街 2 6 3 0 k g h 远传 f t 一0 2 液体流量计 l 涡街 6 ，5m 3 h 远传 1 7 第四章冷模试验研究 4 2 试验结果与数据处理 本研究的主要目的是解决双酚a 生产中多级气液固三相反应分离复合设 备的放大问题并提出放大准则。具体研究内容为： 1 ) 催化剂均匀悬浮条件； 2 ) 临界气速： 3 ) 液层高度； 4 ) 气含率； 5 ) 塔板压降。 根据双酚a 缩合反应过程的工艺条件确定本冷模试验的操作条件如下： 1 ) 空塔气速：o 0 4 4 m s 一0 1 0 2 8 m s ： 2 ) 液体流速：0 0 1 3 3 c m s 一0 0 5 3 1 e r a s ： 3 ) 催化剂含率：1 9 ( 体积) 。 4 2 1 催化剂均匀悬浮条件 为满足设置换热单元及保证反应停留时间的要求，每级反应单元上液层高度 需要比一般的板式塔高。液层增高会导致干板压降占塔板整体压降的比例变小， 造成气体分布不均，也就不能保证催化剂在板上均匀悬浮。同时，气体的初始分 布均会对催化剂在塔板上的均匀悬浮造成影响。因此需要对上述影响因素进行研 究。 1 ) 气体初始分布的影响 为保证进塔气体具有良好的初始分布，本研究采用了一层筛板作为气体初始 分布装置。试验表明该装置效果好，不足之处是压降略高。 2 ) 干板压降的影响 增大干板压降在整板压降中所占的比例是保证气体均匀分布的一个有效手 段。干板压降与空塔气速的平方成正比，提高空塔气速为增大干板压降最有效的 手段。但是由于受工艺条件的限制，本试验所用的气提反应器，空塔气速要比常 规板式塔小很多。在设计中己采用降低了开孔率的办法( 开孑l 率仅为4 ) 。如果 再降低开孔率，就会在孔间产生固体沉积区，影响板上催化剂粒子的悬浮。但是 第四章冷模试验研究 在4 开孔率下，干板压降占总板压降的比例仍很小，不利于板上气体均布。经 过试验研究，采用了在塔板的下方铺设金属丝网的方法来增加干板压降。 本试验安排了两种丝网放置方式。第一种在塔板的上面铺设6 目和6 0 目两 层丝网( i 型板) ；第二种是在第一种的基础上，在塔板下面铺设6 目、2 0 0 目 和6 0 目三层丝网( i i 型板) 。图4 2 和图4 - 3 分别是两种丝网铺设型式下的塔板 剖面图： 图4 - 2 ：i 型板丝网放置形式 图4 - 3 ：i i 型板丝网放置形式 下面的图4 - 4 和图4 5 分别是在较低气速时，两种板型的塔板上的气体分布 状态。从图4 4 可以看出，i 型板在此气速下右侧鼓泡剧烈，而左侧基本上没有 第四章冷模试验研究 鼓泡，气体分布严重不均。从图4 5 中可以看到，i i 型板由于塔板下面增加了三 层丝网，流动状态上有了明显的改观。图4 _ 6 和图4 啊7 是两种板型下气体均布时 的流动状态图。 图4 - 4 ：i 型板板上鼓泡情况( 气速0 0 4 4 m s ) 图4 - 5 ：i i 型扳板上鼓泡情况( 气速0 0 4 4 m s ) 2 0 第四章冷模试验研究 图4 - 6 ：i 型板板上气体均布时的状态图( 气速0 1 0 2 8 m s ) 图4 _ 7 ：型板气体均布时的状态图( 气速0 0 7 3 4 m s ) 由上面的比较可以看到：由于i i 型板的干板阻力比i 型板的干板阻力大，在 2 第四章冷模试验研究 相同气速下，i i 型板气体分布状态要好于i 型板。 通过一系列不同气速测试验得到以下结论：i i 型板气体均布所需的空塔气速 要小于i 型板。试验得出i 型板气体均布所需的最小气速为o 1 0 2 8 m s ，i i 型板 气体均布时的最小气速为：0 0 7 3 4 m s 。 3 ) 催化剂粒子的影响 图4 8 ：加了催化剂粒子后板上气体分布状态图( 气速0 0 7 3 4 m s ) 图4 8 为塔板上填加了催化剂粒子后的板上气体分布状态图。与图4 7 所示 的状态进行比较可以发现：塔板上添加催化剂粒子之后，在相同的空塔气速下， 板上流动状态发生了恶化。 分析原因如下：在有催化剂粒子存在的条件下，液层高度增加( 具体原因见 本文内容4 2 - 3 ) 。干板压降在总板压降中所占的比例进一步降低，导致了板上气 体分布均匀度的降低。试验中发现当气速值大于0 0 8 8 1 m s 时，随着于板压降的 上升，板上气体又重新实现均匀分布。提高空塔气速后的气体分布状态见图4 - 9 。 第四章冷模试验研究 图4 9 ：加了催化剂粒子后板上气体分布均匀时状态图( 气速0 0 8 8 1 m s ) 4 ) 液相流动的影响 由于本研究的三相反应分离复合设备为多级串联结构，每级塔板上均有液体 横向流动，在冷模试验前一直担心会出现催化剂在液流的作用下向流动方向堆积 的问题。在试验中对该问题进行了重复测试。当板上气体分布均匀后，顺液体流 动方向进行三点同时取样，测定局部固含率。测量数据见表4 3 。试验数据证明， 没有出现催化剂粒子顺液流方向堆积的现象。图4 1 0 为下表中其中一组数据状 态下，突然停水、停气后，塔板上催化剂粒子自然沉降后的分布状态。 表4 - 3 ：局部固含率数值表 同含率( )液速( c m s ) o 0 1 7 70 0 3 5 40 0 5 3 1 东中西东 中 趟东中西 气速 0 0 8 8 l3 2 9 l3 2 0 03 3 8 52 1 3 32 3 ，6 82 2 4 51 7 1 91 8 3 61 9 2 5 ( m s ) 0 1 0 2 83 2 0 03 4 5 2 3 3 0 32 0 5 71 9 0 0 z o ，3 0 1 6 4 71 6 4 01 7 2 5 第四章冷模试验研究 图4 - 1 0 ：停车状态下塔板上粒子的分布状态 同样，沉积后的催化剂粒子层厚度测量数据表明：催化剂粒子在流动方向上 分布基本均匀，没有顺液流方向出现催化剂粒子堆积的现象。 4 2 2 临界气速 临界气速是三相反应器的一个重要参数。如果固体不能在反应区达到完全悬 浮，会导致雷诺准数下降，影响传质与传热，并降低催化剂的利用率。 4 2 2 1 试验研究 本研究中所采用的催化剂粒子直径较小( 主粒度在0 6 m m 左右) ，同时催化 剂粒子与液体的密度差较小( 工作状态下密度差仅为9 0 k g m 3 ) ，所以催化剂粒子 很容易悬浮。通过试验发现：在流量仪表所能准确测得的最小空塔气速下 ( o 0 2 5 m s ) ，粒子已经全部悬浮。图4 1 1 是从板上看到的流体流动状态。图 4 1 2 是从视镜处看到的粒子流动状态( 视境底边与塔板处于同一水平高度) 。 第四章冷模试验研究 图4 - l i ：0 0 2 5 m s 气速下板上气体分布状态图 图4 1 2 ：0 0 2 5 m s 气速f 从视镜处看到的粒子流动状态 第四章冷模试验研究 4 2 2 2 理论预测 由于本研究所采用的树脂催化剂的外形很规整，为标准的球体。为对以上试 验结论给出理论上的支持，本文尝试采用球体沉降公式4 3 1 进行预测。 选定空塔气速为o 0 2 5 m s 的工况做为计算条件。首先根据无因次数k 判断 流型，k 值计算公式如下： ， 掣“3 经计算得出k 值为5 7 7 ，属于过渡区范围。 过渡区的球形颗粒群沉降速度公式为： “= 玎：。s z s ( 帮 “。 公式( 4 - t ) 公式( 4 - 2 ) 式中n2 为干涉沉降影响系数，对于本系统取值为0 3 7 5 。 利用上式计算得到球形颗粒群的沉降速度为0 0 0 4 1 3 m s 。此值 l t d , ，说明 本研究所用催化剂粒子在很低液速下即可悬浮。在本文第五章中，c f d 模拟结果 也证明了这一点。 4 2 3 液层高度 为实现催化剂粒子的级间密封，本研究所采用的三相反应器中，溢流堰设置 了密封丝网。在有催化剂粒子存在的情况下，堰上的液层高度与没有丝网的情况 相比有较大的变化。这一点在试验中得到了验证。 在本节内容中，系统地研究了塔板上填加催化剂后液层高度随气速、液速的 变化，并与不含催化剂粒子时板上液层高度的计算值进行比较。 1 ) 催化剂粒子的影响 对于常规的气液两相板式塔，板上液层高度h l 的计算公式为【4 2 】： 第四章冷模试验研究 h = h ”+ h o 公式( 4 3 ) 上式中h w 为溢流堰高度，h 。为堰上液层高度。 对于液量较小的工况，当液层高度没有超过齿顶时，堰上液层高度采用下列 公式： 扎”( 钳3 当液层高度超过齿顶时，堰上液层高度采用下列公式： 公式( 4 - 4 ) l s = o 7 3 5 生t f “2 一o d ，一 。y ”) 公式“一5 ) ，, h v 。o w 由于本研究对象的液量较小，采用齿形结构，液层高度计算采用公式( 4 5 ) 。 将公式( 4 3 ) 计算得到的塔板上液层高度随液体流速变化的曲线绘制在图4 1 3 中。 同时将冷模试验实测出的塔板上的液层高度随液速的变化绘于同一张图中。经比 较发现，当板上液体加入固相后，两者相差较大，现有板上液层高度公式已经无 法使用。说明催化剂粒子对液层高度的影响非常大。 图4 1 3 ：液速一板上液层高度曲线图( 气速0 0 7 3 4 m s ) 第四章冷模试验研究 在试验中经过仔细观察发现：在有催化剂粒子存在的时候，塔板上液层高度 显著增高的原因是催化剂粒子在堰上丝网的粘附。图4 一1 4 演示了在冷模试验过 程中所观察到的粒子在堰上丝网表面粘附状况。 2 ) 空塔气速的影响 图4 一1 4 ：粒子黏着示意图 图4 - 1 5 ：气速对板上液层高度的影响( 液速0 0 5 3 1 c m s ) 第四章冷模试验研究 由图4 1 5 所示曲线可以看出，在催化剂粒子存在的条件下，塔板上液层高 度随空塔气速的增大而增大，但变化的幅度不大。与不含催化剂粒子条件下的情 况相似。 3 ) 液速对于液层高度的影响 由于液速对板上液层高度的影响很大，本节重点研究了液速对板上液层高度 的影响。图4 - 1 6 是含催化剂粒子时，不同气速下，板上液层高度随液速的变化 曲线。 图4 - 1 6 ：液速对板上液层高度的影响 由上图可以得知，在试验液速范围内，液速越大，达到平衡时溢流堰网上黏 着的催化剂粒子数量越多，黏着的高度越高，从而液层高度越大。 4 ) 板上液层高度公式的修正 板上液层高度在设计中是很重要的参数。试验中发现出口堰上出现粒子黏 着、板上液层高度增加的现象，这将直接影响反应停留时间，必须在放大设计中 予以重视。 第四章冷模试验研究 以上研究表明，对于本研究系统液层高度主要随气速液速变化，其中液速是 板上液层高度的主要影响因素。根据试验结果回归得到板上液层高度关联式为： h c = 1 5 3 2 5 0 6 c ，言“啦。 公k ( 4 - 6 ) 式中：h c 板上液层高度，m ； u l 液速，m s ； u g 气速，m s 。 公式( 4 6 ) 拟和曲线的相关系数r 2 为0 9 2 6 8 。 4 2 4 气含率 对于三相反应器，气含率也是一个重要的参数。反应物料的真实停留时间及 相界面积均与之有关。本节重点研究了有催化剂粒子存在条件下气含率豹变化规 律。 1 ) 催化剂粒子的影响 将不含催化剂粒子时的气含率与含催化剂粒子时的气含率随空塔气速的变 化曲线绘于图4 - 1 7 中。 图4 一1 7 ：不同气速下催化剂粒子对气含率的影响( 液速0 0 5 3 1 c m s ) 第四章冷模试验研究 比较图4 1 7 种两条曲线可以发现，无论有没有催化剂存在，气含率随着气 速的增加逐渐增加。但在有催化剂粒子存在的条件下，同等气速下气含率比没有 催化剂粒子条件下要低。可能原因是：催化剂粒子的加入使得固液分散相表观粘 度增加，导致气泡平均直径增加，有利于气泡的溢出，因此使得气含率有所下降。 图4 - 1 8 ：视镜处看到的气泡流动状态图4 一1 9 ：视镜处看到的粒子流动状态 图4 1 8 和图4 1 9 是从视镜处看到的相同状态下，添加催化剂粒子前后的流 动状态。通过比较可以明显的看到：添加了催化剂粒子之后，液体中所含的气泡 数量明显的减少，从而导致了气含率的降低。 2 ) 对气含率公式的修正 根据试验数据，对m o h a m m e dz a n a b t a w i 提出的气含率关联式进行修正。 公式( 2 - 6 ) 为m o h a m m e dz a n a b t a w i 提出的气含率关联式。 s g = o 1 2 7 【，罟。s p h “2 ” 通过曲线拟和，得到适合本试验系统的气含率关联式如下： 公式( 2 - 6 ) = 1 4 7 7 u o ”o 占；o “h “2 ” 公式( 4 7 ) 对于本系统8s = 0 1 9 公式( 4 7 ) 拟合曲线的相关系数r 2 为0 9 5 0 9 。 第四章冷模试验研究 4 2 5 塔板压降 塔板压降是多级设备放大过程中的一个重要参数，涉及到系统操作压力的确 定及主要动力设备的选型。本文对多级三相反应器中的塔板压降及其影响因素进 行研究，并与气液两相的塔板压降进行了对比。 塔板压降由三部分组成。对于本试验，由于板上液层高度较高，试验中表面 张力压降占整体压降很小，因此板上总体压降h t o t 可以看成为干板压降l l c 和液 层压降h l 之和。 h t o r = h c + h 4 2 5 1 干板压降 1 ) 空塔气速的影响 公式“一8 ) 图4 - 2 0 ：气速一千板压降曲线图 图4 2 0 给出了三种板型干板压降随空塔气速的变化曲线。比较图中三条曲 第四章冷模试验研究 线的变化趋势可知：i i 型板( 板底铺设了丝网) 的干板压降在低气速阶段与其它 两种型式的筛板相比，即有大幅度提高。这有利于气体的均布，同时也说明采用 标准筛板塔干板压降公式已无法准确预测，需要对标准筛板塔压降公式进行修 正。 2 ) 干板压降公式的修正 标准筛板塔干扳压降公式m 2 j 立玎下： 耻o o 弧2 ( 等) 公式( 4 9 ) 根据试验结果，对标准筛板塔干板压降计算公式( 4 9 ) 进行修正，得到适 合本试验系统的干板压降关联式： 忙眈s s ( 小 上式中，系数c o 为0 7 5 。 上式拟和曲线的相关系数r 2 为o 9 9 2 6 。 4 ，2 5 2 催化剂粒子对液层压降的影响 公式( 4 - 1 0 ) 翻4 2 1 ：不同气速下催化剂对压降的影响( 渡述0 ，0 5 3 1 c m s ) 第四章冷模试验研究 图4 2 1 为两种条件下气速与塔板压降的关系曲线。由上图可以看出存在催 化剂粒子时，塔板压降与无催化剂粒子时相比明显增大。这是由于在加了催化剂 粒子之后，板上液层高度明显的增高所致。 图4 2 2 ：不同液速下催化荆粒子对压降的影响( 气速0 0 8 8 1 m s ) 图4 2 2 是在两种条件下，液速与压降的关系曲线。可以看到：在不含催化 剂粒子的时候，塔板压降随着液速的变化范围不大；当加入了催化剂粒子时，压 降随着液速的增加而迅速增加。原因是因为在加入了催化剂粒子之后，板上液层 高度会随着液速的增大而明显的增高所致。 4 2 5 3 对塔板压降公式进行修正 塔板压降公式： - 0 2 s s ( 告 讽 对于本系统c o = o 7 5 。 公式( 4 1 1 ) 第四章冷模试验研究 4 3 放大准则 通过上述试验工作，确定双酚a 缩合反应系统所应用的多级气液固三相气 提反应器的放大准则如下： 1 ) 为保证催化剂均匀悬浮，空塔气速应大于0 0 8 8 1 m s 。 2 ) 本系统的临界气速很小。在本试验空塔气速范围内，固体粒子全部悬浮。 3 ) 修正后的塔板上液层高度公式： h c = 1 5 3 2 5 0 6x u ：”u p 2 公式( 4 6 ) 4 ) 修正后的气含率公式： = 1 4 7 7 u a “6 7 0 占“h “2 ” 公式( 4 7 ) 对于本系统，固含率。s 为o 1 9 。 5 ) 修正后的压降公式： - o ：s s ( 针即。 对于本系统系