滴流床的压降和持液量_齐国祯

1、华东理工大学学报(自然科学版Journal of East China U nivers ity of S cience and Tech nology (Natural Science EditionVol.32No.12006-01收稿日期:2004-12-22作者简介:齐国祯(1977-,男,上海人,研究方向为反应器的流体力学。E -mail :rocks beer 文章编号:1006-3080(200601-0020-04滴流床的压降和持液量齐国祯1,谢在库2,钟思青2,张成芳1,陈庆龄2(1.华东理工大学化工学院,上海200237; 2.中国石化上海石油化工研究院,上海201208摘

2、要:以A -甲基苯乙烯加氢系统为对象,研究滴流床的流体力学特征,在冷态条件下测定了滴流床内压降和持液量,得到压降、动持液量与气速和液速的关系式。结果表明压降梯度受气速影响较液速大,动持液量受液速影响较气速大。气速增加,床层压降增大,动持液量减小;静持液量只与体系的物性、填料物性、装填方式等有关,与反应条件无关。另外,在零气速条件下,用KOH 作为示踪剂,采用脉冲注入法,研究了滴流床的停留时间分布,得到床层的Peclet 准数与液速的关系,Peclet 准数随着液速的增加按指数级增加。关键词:滴流床;A -甲基苯乙烯加氢;压降;持液量;Peclet 准数中图分类号:T Q 021.1文献标识码:

3、APressure Drop and Liquid Holdup in Trickle BedQI Guo -z hen 1,X I E Zai -ku 2,ZH ON G S i -qing 2,ZH A N G Cheng -f ang 1,CH E N Qing -ling 2(1.School of Chemical E ngineering ,E ast China Univer sity o f Science and T echnology ,Shanghai 200237,China ;2.SI N OP EC S hanghai Research I nstitute of

4、P etr ochemical Technology ,S hanghai 201208,China Abstract :The hydrodynam ics characteristics o f trickle bed reactor w as studied using A -m ethylstyrene hydr ogenation system as mediums.The pressure drop and liquid holdup w ere observed and determined in co ol condition.Subsequently ,the equatio

5、ns of pressure drop and liquid holdup w ith the g as and liquid velocity w ere obtained.Gas velocity plays mo re important role than liquid velocity fo r pressure dro p,but the dynam ic liquid holdup is influenced by liquid velocity mor e r em ar kably .The pressur e drop increases and dynamic liqui

6、d ho ldup decreases w ith increasing gas velocity.Static liquid holdup is o nly related to the physical pro perties such as sy stem and packing,packing metho ds,and has nothing to do with the operat-ing conditions .In additio n ,the residence tim e distribution o f trickle bed w as studied using w a

7、ter as liquid phase ,KOH as tracer w ith a m ethod of im pulse input under no g as added conditio n .The relation of Peclet num ber and liquid velocity is o btained.Peclet number show s an ex po nential g row th w ith the liquid v elo city rising.Key words :trickle bed ;A-methylstyrene ;pr essure dr

8、op ;liquid holdup ;Peclet number 滴流床反应器(Trickle bed reactor 是应用最广泛的三相反应器之一,广泛应用在催化加氢脱硫、催化加氢裂化、催化加氢精制、A -甲基苯乙烯的加氢等多个方面。人们对滴流床反应器内流体流动行为进行过大量的研究,如流区分布、流型转化、持液量及压降等,国内外对此均有过许多报道110。预测不同流动状态下的床层压降和持液量是滴流床反应器设计的基本问题之一,压降的大小直接关系到泵的选型和反应器的动力消耗,持液量是表征滴流床中传递特性20的基本流动参数,它的大小直接影响催化剂的润湿效率,从而影响反应器的性能。有关这两个参数的计算多

9、采用扩展的Ergun方程式14,其中,典型的是槽道模型1及其修正版本2。Anter等5研究了滴流床反应器的动持液量测定问题,发现增加液体流率,动持液量增加,气体流率增加时,结果相反;粘度的增加对动持液量的影响不大;动持液量随填料空隙率的增大而变小。A-甲基苯乙烯加氢制异丙苯采用的反应器主要为滴流床反应器,一般采用的催化剂是Pd/C-Al2O3。以往研究者们研究滴流床的流体力学都是用空气、水等作为研究体系,与真正的反应体系都存在一定的误差,而以A-甲基苯乙烯加氢制异丙苯系统为研究体系的,还尚属空白。本文直接采用A-甲基苯乙烯工业原料和氢气为研究体系,考察滴流床的流体力学特征。本文用玻璃管制滴流床

10、(Á20m m×400mm在常温常压下研究其流体力学特征,包括压降、持液量等,体系采用工业原料(A-甲基苯乙烯+异丙苯和氢气分别作为液相和气相。另外,以水为液相,零气速条件下,KOH作为示踪剂,用脉冲注入法,研究了滴流床的停留时间分布。1实验部分图1为滴流床流体力学实验装置图。滴流床内装填76gÁ2m m的球形C-Al2O3填料,床层孔隙率为0.4,工业原料(A-甲基苯乙烯+异丙苯和氢气混合后,以并流方式从滴流床顶部进入,气液流速通过转子流量计读出,压降由U型水压差计直接读出。工业原料所需的物性数据如下:密度0.8619g/ mL,粘度0.791mPas,表面张力

11、28mN/m。动持液量测量方法:将气体和料液流量调整到规定值,待流动稳定后,同时关闭反应器的进、出口阀门,开始用量筒收集从管内流出的液体,收集时间为30m in,将量筒中收集到的料液体积除以床层体积即为颗粒表面动持液量。静持液量测量方法:实验前首先称量干燥冷模管的质量(填料+玻璃管,当测量完动持液量后,将装置从设备架上卸下来,称重,求得两质量之差,除以填料装填量即是静持液量。2实验结果与讨论2. 1压降在固定液速条件下,改变气速,待系统稳定后,记录压差计上显示的压降值。然后再改变固定液体流速,重复操作,测得多组压降值。将测得的压降关联为无因次,将气液流速关联为气体雷诺数和液体雷诺数。图1滴流床

12、流体力学实验装置图Fig.1T rickle bed ex perim enta l installatio n fo rhy dr odynamics inv est iga tio n1Feed pipe;2Feed pum p;3Hyd rogen;4Oper ationg floor; 5Buffer bottle;6Rotameter;7M ix er;8Distrib utor;9Press ure drop indicator;10T rickle bed;11Valve;12Liquid collector如图2和图3所示,压降梯度$p/$Z受气速影响较液速大得多。随着气速增加

13、,气体在颗粒外表面的曳引力作用下,破坏了填料颗粒间的“液桥”或冲散了颗粒间的“液囊”,引起液体沿反应器截面铺展,增加了气体通过时的阻力,从而使床层的压降梯度明显增大。而液速对压降梯度的影响较弱,基本上呈线性缓慢增加,这是因为气速一定,液体进料量增加,引起颗粒润湿面积增加,液膜变厚,减小了床层的孔隙率,增大了气体通过时的阻力,从而使床层压降梯度增加,但液膜厚度是很薄的,增加的幅度很小,因而对压降的影响也小。图2压降梯度与R e L的关系F ig.2Relatio ns o f pr essur e dr op g radient and Re LR e G:4.412;27.67;"4

14、6.12;×69.17;+76.86利用最小二乘法对若干组实验数据进行回归,21第1期齐国祯,等:滴流床的压降和持液量 图3压降梯度与Re G 的关系Fig.3Relations of pressure dro p g r adient a nd Re GRe L :54.5;43.6;32.7;21.8;14.5;"7.3;×3.6得到压降梯度与气速、液速的关系如下:$p /$ZQ l g= 4.38×105Re 0.78G Re 0.29L相关系数为0.89,有些偏低,这主要是因为测量过程中,压降变化幅度大,系统难以稳定,致使在读数时会产生一定的偏差

15、。2.2持液量2.2.1动持液量从图4可看出气速对动持液量h d 影响。随着气速的增加,动持液量减小,在高液速时,下降幅度大,而在低液速时,变化缓和。这是由于气速的增加,使气体在催化剂颗粒表面产生的曳引力增加,曳引力使液体离开固体表面,随气流迅速通过床层,引起床层内动持液量减小,高液速时,由于液相占的比例较低液速时大,这种曳引力作用就较 为明显。图4动持液量与Re G 的关系Fig.4Relations of dynamic liquid ho ldup and Re GRe L :54.5;43.6;32.7;×21.8;14.5;"7.3;+3.6;*0.08从图5可看

16、出液速对动持液量的影响。随着液速的增加,使得床层中液体的滞留量增加,即动持液 量增加。液速对动持液量的影响较气速大。图5动持液量与R e L 的关系F ig .5Relatio ns o f dy namic liquid holdup and R e LR e G :1.153;4.612;×9.223;36.89;ý93.23;138.35;*230.58利用最小二乘法对若干组实验数据进行回归,得到动持液量与气速、液速的关系如下:h d =0.0253R e -0.07544GR e 0.57716L相关系数为0.96,线性化关系良好。2.2.2静持液量按照上面所说的测

17、定方法,在不同的气液流速下测得多次静持液量h c 值,见表1。从表1可以看出,不同气液速度下h c 值都相差不多,说明静持液量与反应条件是无关的,只和所用体系的物性、填料物性、装填方式等有关,即在一种实验条件下,静持液量通常是一个值,这与文献报道是一致的。静持液量也可从某些经验关联图上直接估算出,如Sw aaij 等11所作的静持液量与EO ¨准数的关联图。按照本文所用体系计算出EO ¨准数为11.83,本文所用填料属于孔较为密实的填料,查图得到静持液量值介于有孔填料和无孔填料之间,与实验值比较,结果相近。表1静持液量测定值Table 1Static liquid ho l

18、dup measurementsR e G R e L h cR e GR e L h c 1.1554.50.103069.17 3.60.10364.6143.60.105492.2332.70.10329.2232.70.1038152.1832.70.103218.4421.80.1030230.5832.70.103836.8914.50.103836.8932.70.102455.337.30.103092.2332.70.10302.3滴流床内的停留时间分布实验在冷模管中研究了滴流床反应器的停留时间分布,液相是水,在零气速条件下,用KOH 作为示踪剂,DDS -11A 电导率仪测

19、定溶液电导率,采用脉冲注入法,在不同的液速条件下,测得了平均停留时间,根据得到的响应曲线计算出Peclet 准数,并关联了Re L 数。22华东理工大学学报(自然科学版第32卷从图6可看出,随着液速的增加,Pe 准数在低液速时增加较缓,到高液速时增加很快,基本上是按指数关系增加,这说明当液速高到一定程度时,反应器内返混的影响变的很小,工业用滴流床反应器内液速一般比实验室的要大一个数量级,那时就可以按活塞流来处理。可将ln Pe 与Ln R e L 拟合成直线关系,拟合结果为:P e =46.017Re 2.156L相关系数为0.988, 线性化关系良好。图6P e 与Re L 的关系F ig.

20、6R elat ions of P e a nd Re L图7平均停留时间与液速的关系F ig.7Relatio ns o f mean residence time and liquid velocity从图7可看出,随着液速的增加,平均停留时间起初下降很快,到一定液速时,趋于平缓。一是因为线速度小时,通过床层所需时间长,还因为在低液速时,床层没有达到完全润湿,部分液体需通过扩散和毛细管力的作用润湿颗粒的外表面和内表面,使得向下流动的量减少,停留时间长。但随着液速的增加,床层润湿率增加直到完全润湿,床层的持液量,特别是静持液量,趋于一定,床层通道顺畅,通过床层的时间短且变化小。将ln t 与

21、ln u L 拟合成直线关系,拟合结果为:t =16.40u -1.03L相关系数为0.9985,线性化关系良好。3结论(1以A -甲基苯乙烯(w =0.2548+异丙苯为液相、H 2(纯度为99.99%为气相,Á2mm 球形C -Al 2O 3为填料,在滴流床中研究了压降梯度和动持液量随气速、液速的变化情况,将气速、液速关联为雷诺数,得到压降梯度与气速、液速的关系如下:$p /$Z Ql g = 4.38×105Re 0.78G Re 0.29L相关系数为0.89。得到动持液量与气速、液速的关系如下:h d =0.0253R e -0.07544GR e 0.57716L

22、相关系数为0.96。(2以水为液相,零气速条件下,用KOH 作为示踪剂,采用脉冲注入法,研究了滴流床的停留时间分布,得到床层的Peclet 准数与液速的关系如下:Pe =46.017Re 2.156L相关系数为0.988。得到平均停留时间与液速的关系如下:t =16.40u -1.03L相关系数为0.9985。(3在冷态条件下,对A -甲基苯乙烯加氢制异丙苯体系中滴流床反应器的流体力学进行了研究,体系采用的是A -甲基苯乙烯工业原料和氢气,得到了床层压降、持液量与气、液流速的关系式,为后面的滴流床反应器设计提供了必要的数据。符号说明:u L 液速,cm /s t 平均停留时间,s Da 轴向扩

23、散系数,cm 2/s E O ¨E O ¨准数,E O ¨=Q 1g d 2p R l$p /$Z 压降梯度,Pa/m h d 动持液量h c 静持液量Q 1液相密度,g /mL g 重力加速度,m/s 2d P 颗粒直径,m G a Galileo 准数,Ga =d 3P g Q 2L L 2LR e L 液体雷诺数,R e L =d P L Q L L L R e G 气体雷诺数,Re G =d P L g Q g L gP e Peclet 准数,P e =L L d P DaR l 液体表面张力,mN/m(下转第46页23第1期齐国祯,等:滴流床的压降和持

24、液量其对内皮细胞的抑制活性,发现3A蛋白对内皮细胞的IC50为1.99L g/mL 。(a3A protein group(bC ontrol g rou p图6显微镜下的细胞形态F ig.6M icr oscopic pho to gr aph o f the cell据文献报道6,血管抑素的IC50为10L g/mL,内皮抑素IC50为8.6L g/m L,而3A蛋白抑制内皮细胞增殖的能力是血管抑素的5倍,内皮细胞的4倍,因此具有明显的优势。3结论对基因工程大肠杆菌经高密度培养后得3A包涵体,经过超声洗涤、离心、尿素溶解,离心所得上清液中蛋白浓度为330mg/mL,电泳扫描可得其中3A 的

25、含量为42%,经过柱复性,可得到纯度为81.27%,收率为78.95%的3A蛋白,经过离子交换后可得到纯度为92.52%,收率为67.72%的3A蛋白,总收率为53.47%,其IC50为1.99L g/m L。尽管血管抑素有很强的抗肿瘤作用,但要达到治疗效果,需大剂量长期持续使用,才能抑制血管内皮细胞增生,从而使肿瘤处于“休眠状态”。但是,由于生产成本较高,目前还不能够大规模生产。因此,有关产业化研究具有重要价值。参考文献:1O'Reilly M S,Boehm T,S hing Y,e t al.Endostatin:A n en-dogenous inhib itor of ang

26、iognesis and tumor grow thJ.Cell, 1997,88(2:277.2窦德献.抗内皮细胞生长工程蛋白P.CN:1336382,2002.3司徒镇强,吴军正.细胞培养M.西安:世界图书出版公司,1996.4T su moto K,Ejim a D,Ku magai I,et al.Practical cons idera-tions in refolding from inclusion bodiesJ.Protein Ex pres s and Purification,2003,28:1-8.5Arakaw a T,T su moto K.Th e effects

27、 of ar ginine on refoldingof agg regated proteins:Not facilitate r efolding,but sup pres s aggregationJ.Biochem ical and Bioph ysical Resear ch Com-mu nication s,2003,304:148-152.6S ukhatme V P,Ramakris hnan S.S ynergy betw een angios tatinand endostatin:Inh ibition of qvarian cancer grow thJ.Can-ce

28、r Res,2000,60(8:2190-2196.(上接第23页参考文献:1Holub R A,Du dukovic M P,Ram achan dran P A.Press uredrop,liquid holdup,and flow regime transition in trick leflowJ.AICh E J,1993,39:302-321.2Iliuta I,Larachi F,AI-Dahhan M A.Double-slit model forpartially w etted trickle flow hydrodynamicsJ.AIChE J,2000,46:597-609.3Levec J,Saez A E,Carb on ell R G.T he h ydrodynam ic oftr ickling flow th rough pack ed b eds: 2.Experimen tal obs