滴流床中三叶草催化剂的流体力学性能

1、第19卷第2期1999年10月Vol. 19 No. 2Oct. 1999北京服装学院学报Journal of Beijing Institute of Clothing Technology滴流床中三叶草催化剂的流体力学性能*杨爱英陈云磊张吉瑞北京服装学院化工研究所，北京100029摘要:建立了一套测定滴流床反应器中催化剂流体力学性能的装置.在此装置中对我院化工研究 所研制的FX-01三叶草形催化剂，利用计算机数据采集系统，进行了床层压降及液体持裁量的测 定;系统研究了滴流床中当气-液两相流动处于滴流区和脉冲区时，两相流憊大小对其流体力学性 能的影响，得到对实际生产过程具有指导意义的结果.关

2、键词:滴流床反应器;三叶草形催化剂;持液童;床层压降中图分类号:TQ021.1滴流床流体力学性能主要包括床层压降和床层持液量床层压降是滴流床反应器的重 要设计参数之一,它的大小直接影响床层持液量和传递数值叫从而影响整个反应过程， 因此预测不同状态下的床层压降是流体力学的基本问题之一.和床层压降一样持液蜃也是 滴流床反应器流体力学的一个重要参数,它是估计液相反应物平均停留时间和液膜厚度必 不可少的数据，它又直接影响传质速率，因此不少学者在实验的基础上进行了理论研究，但 仅得到适用于某些条件下的经验关联式在某一操作条件下，用不同的关联式得到的持液量 数据能相差12个数量级叫给不同公式的选用和过程预

3、测带来了很大困难.我院化工研究所与燕山化工二厂联合研制的新型FX-01催化剂，采用在石油化工生产 中常用的三叶草形状，用于合成异丙苯、乙苯.由于其活性较高,使得外扩散阻力成为整个反 应过程的控制步骤，如何减少外传质阻力成为提高产St或减少催化剂用量的关键,而固定 床内气液两相的流体力学性能是传质扩散过程的基础目前滴流床中关于三叶草形催化剂 的流体力学性能研究报道不多，本工作在滴流床内气液流动处于滴流区和脉冲区范围时对 三叶草形FX-01催化剂进行了流体力学性能研究,并进行了讨论，给岀初步结果.1实验方法图1为设备流程图本系统由气、液两路构成，气休采用空气，液体釆用常温水液体水一作者：女，196

4、3年生,副教授硕士車中国石油化工总公司资金项目.© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第2期杨爱英等:滴流床中三叶草催化剂的流体力学性能25经增压泵1送至滴流塔塔顶，经液体分布器分布均匀后向下喷淋经过催化剂床层，液体流量 由转子流量计4计量控制.由空气压缩机出来的空气经除油、减压和水饱和后也送至滴流塔 塔顶与液体并流而下，空气流量由转子流量计10（或11）计量控制.经过催化剂床层后的气 液混合物由塔底排出整个实验系统在常温、常压下进行，实验温度控制在15

5、20匸图1实验系统流程1:水泵；2,7:电出排水.气闵；3.13:水、气控制针阀；4:液体转子流lit； 5,6,8,12:电磁水.代流址控制阀；9:持液*电感传总器装； 10,11:气体转子流量计；14:淘流床主塔体；15:气体分布器；16:空气压细机系统；17,18:压差卄排液装； 19:液体分布器；20,22,23,25:压養卄选择阀；21,24:U型管压差计；26:持液*变 换器;27:差压变换器;28:计算机数据采集系统实验塔体主体由三段组成，中间塔体髙Im,为催化剂填充段，催化剂床层高为92 cm, 塔体截面直径为30mm.三叶草催化剂由北京服装学院东大化工实验厂提供.实验采用气体

6、 流量范围为9.6450 L/h；液体流量范围为540L/h,在此气液流量范围内，滴流床内流 体流动处于滴流区和脉冲区内.实验步骤:先将液体调至一个较大流量,约维持10 min左右，使催化剂床层充分润湿，然 后将液体调整至预定流量;打开气体阀门至预定气体流量,约稳定30 min后,就可测定床层 流体力学数据.本实验测定床层压降采用ASP-16型差压传感器，输出05 V电压信号，经A/D板转换 后，由计算机系统自动采集数据，设定2 s内采集500个压差数据，取其平均值为最终测定 值测定精度为1.5%.使用前对差压传感器进行了标定.催化剂床层的持液量数据采用体积法和重量法（用电感传感器）进行测定,

7、可同时测定床 层的静持液屋和动持液量.电感传感器测量位移感量为0.lpm,输出电压信号为05V,经 A/D板转换后，由计算机系统自动采集数据,2s内采集500个电压数据，经转换并取其平均 值为最终测定值使用前对电感传感器进行标定,使用时均经大约半小时的预热待其性能稳 定.体积法采用电磁阀同时关闭气液进、出通路后，由塔底收集床层流出液休量，大约半小时 即可.催化剂在使用前先经水渗泡2 h左右，使其体内孔隙充满液体，然后经晾晒待其外表面 干爽后再装入塔内，以便测定其静持液量.静持液量是通入气体和液体将床层充分润湿，再 将气液排出后，由电压差值给出的液体含最，2催化剂装填方式对塔内空隙率的影响固定床

8、中催化剂庆层空隙率直接影响床层压降和床层催化剂中的持液量，而它们又杲 催化剂床层流体力学性能的直接体现，与床层流体的传质、传热特性密切相关实验中发现 催化剂在塔内的装填方式将影响催化剂床层的空隙率本实验分别对三叶草形和球形的 FX-01催化剂进行不同方式装填，以比较空隙率的变化.实验条件：采用外表面阴干内孔隙充满液体的催化剂；用与实验塔径大约相同的 100 mL量筒,直径约30 mm.三叶草形催化剂长度L为26 mm,截面直径D为2 mm根据文献1,三叶草颗粒的 当量宜径妒6 / Oyy式中:矽=2/ L+6.554 / D,则三叶草催化剂的平均当量直径约为1.59 mm.装填方式：a:催化剂

9、一次装人,不振动，最后加入液体水；b:催化剂一次装人，振动，最后加入液体水；c:催化剂分次装入，边装边振动，最后加人液体水；d:催化剂分次装人，一边加催化剂一边加入液体水.实验结果见表1 由表1可见,不论催化剂形状如何，方式c所得空隙率最小.本实验采 用操作方式c,床层的空隙率为0.412.表1装填方式对催化剂床层空隙率£的影响催化剂abcd球形催化剂（直径2.7 mm）0.4160.4080.3880.410三叶草催化剂（当量直径1.59 mm）0.4590.4470.4120.4353结果讨论在滴流床中操作区域一般为滴流区及脉冲区，又称为低相互作用区及高相互作用区，所 发表的关于

10、压降或持液量的经验或半经验公式一般也只考虑这2个区域.3.1三叶草床层压强降图2及图3分别表示滴流床床层压降随塔内液体、气体质量流速变化而变化的关系由 图2可见，当塔内气体流速一定而改变塔内液体流速时,滴流床床层内的流体流动状况对压 降的影响因塔内流型而异.在滴流区内，液体流速的改变几乎对床层压降不产生任何影响, 即床层压降与液体流速无关;相反，在脉冲区内，液体流速的微小变化都会引起床层压降明显改变.由图中可见，二者几乎呈直线关系，因此脉冲区内维持液休流速的稳定性很重要.图 3表明当塔内液体流速一定时，床层内气液两相的流动类型对床层压降的影响不明显，气体 流速上升，床层压降也明显上升;但从变化

11、趋势看，床层压降随气速的不断增加其上升趋势 有所减缓.通过以上分析可以看出，滴流区内压降对气体流速的变化较敏感，而在脉冲区内 气速及液速的变化均可造成压降的明显变化，但液速的影响更明显.© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第2期杨爱英等:滴流床中三叶草催化剂的流体力学性能#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第

12、2期杨爱英等:滴流床中三叶草催化剂的流体力学性能#图2液体质金流連对床层压降的影响图3咒体质流速对床层压降的影响3.2三叶草床层持液量一般来讲,床层持液量有两种表示方法，一种以液体占床层空隙的体积分数表示，称为 液体饱和度屁；另一种以液相占床层的体积来表示，用日表示,二者存在以下关系：Hi =久e .通常采用后种表达方法.催化剂人多数为多孔结构，因此总持液量乩应包括两部分：内部持液議与外部持液 量外部持液量由静持液量与动持液屋乩组成.一般认为静持液虽:为突然停止塔内气液 流动，约半小时后塔内无液体流出，此时催化剂上所保留的液体即为静持液量（催化剂已经 事先充分润湿）.一般说来，催化剂的孔容愈大

13、，内持液量也愈大.内持液量多在0.050.2之间静持液 量的范围在0.020.05；动持液屋则与操作条件、催化剂特性等有关.经测定，本实验所采用 的三叶草催化剂床层的静持液量为0.09,若以饱和度计则为21.8%.数据偏大可能因为其中 含有部分内持液量.图4及图5分别表示滴流床内动持液量随液体及气体质量流速变化的关系.由图中可 见，床层内液体动持液量随液体流速的改变而变化较大,而气体流速的变化对床层动持液量 的影响较小；当液体流速由9kg/m2 s变化25%时，床层内动持液量的变化范围为7% 9%；而当气体流速由0.075 kg/m2 s变化25%时,床层内动持液量仅变化3%6%由图4 可见，

14、当气速保持一定时，在滴流区内液体流速的改变对床层内的动持液量影响很大，而在 脉冲区内影响趋势减缓;图5表明了液体流速一定的情况下，气体流速对滴流区内的动持液 量影响明显，而对脉冲区内的动持液量影响微弱.因此若维持塔内操作在滴流区范围内时， 塔内气液两相的流速对床层动持液量有较大的影响.1357911131517液体质萤流速/kg-m-s-'图4液体质流速对床层动持液童的影响0.0 a GO. 曲®左毎气体质童流速/kg m-2 S-' 气体质流速对床层动持液量的影响参考文献1熊天英滴流床流体力学性庆的研究:硕士学位论文.北京:中国科学院化工冶金研穽所,19912 Gi

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18、veloped to study the hydrodynamics of catalystic bed with concurrent downward gas-liquid flow The bed pressure drop and liquid holdup of FX-01 catalyst with three-lobed extrudate shape packed bed were measured by using computer A/D system. In trickle flow and pulsed flow regime, the influence of gas f