第二章 气液固三相流化床反应器 反应工程（南京工业大学）

1、气液固三相流化床反响器 主要内容三相流化床简介、结构及工作原理 三相流化床流体力学的研究三相流化床传质的研究三相流化床传热的研究三相流化床新领域的开发应用 三相流化床简介气-液-固三相反响工程是化学反响工程领域中最令人感兴趣的领域之一。与传统的气-固相催化反响器相比，在气-液-固三相反响器中，由于有液相作为热载体和对固体催化剂的悬浮作用，使反响和传递性能有很大的改进。三相流化床具有高效传质的特点，适用于化学吸收、除尘等多种场合。在流化床反响器中，液体自下而上运动，会同气体的悬浮作用，使固体颗粒在反响器内呈均匀流动状态。 三相流化床的结构及工作原理流化床气液固三相反响典型流程 2.恒温糟 3.供

2、气系统 4.碳酸钙粉末添加装置 5.多孔挡板 6. 补料槽 7.蠕动泵 8.出气并出料口图1 三相流化床生物反响器三相流化床的结构及工作原理 1. 液相自循环三相流化床 液相自循环三相流化床三相反响器是由气、液分布板 ,三相流化床层 气、液、固别离室和液相自循环管 4局部组成 (见图 2)。图2 液相自循环三相流化床反响器示意图1-气、液、固别离室; 2-三相流化床层 ;3-气、液分布板 ; 4-液相自循环管三相流化床的结构及工作原理工作时，气体从塔底进入，经气、液分布板进入三相流化床层与液相和固相充分接触,当上升到气、液、固别离室后，别离气体从顶部排出。由于气泡的存在,使反响塔内气液固三相流

3、体的表观密度小于循环管内液固两相流体的表观密度,由此表观密度差,使物料自塔底而上,进入别离室后溢入循环管,形成液相自循环流,此自循环流与气体共同进入底部，经气、液分布板，使分布板上方的固体颗粒不断悬浮流化，在床层内，由于自然层析作用，形成固体颗粒上稀下浓、上轻下重的分布状态，轻的固体颗粒被带入气、液、固别离室，别离气体后的液流进入自循环管返回底部，周而复始地工作，依靠气提原理进行自循环，无需外加动力。 三相流化床的结构及工作原理2.气升式三相流化床 图3 气升式三相流化床三相流化床的结构及工作原理3.三重环流三相流化床 图4 三重环流生物三相流化床结构示意图三相流化床流体力学的研究三相流化床流

4、体力学研究，是在冷态条件下模拟三相床反响器中流体流动方式，考察了各种因素对气含率、床层压降及起始流化速度的影响，用以作为三相床反响器的研究根底。并用多元逐步线性回归法关联了各影响因素之间的关系。实验结果可为三相床反响器的开发提供研究依据。实验流程反响装置如右图1所示。反响器为一直径，高的透明有机玻璃塔，在处设有45o锥角，高度的锥体；以上为直径的扩大段。冷态实验中气相为空气，液相为水，因相为100180目的砂子。实验时按事先所确定的因含率参加适量的砂子。气体那么由一台小型风机经缓冲计量后由反响器底部侧面进入，并通过气体分布板进入反响器，在反响器上端扩大段(使气液两相易于别离)气液别离后放空。液

5、体经流量计计量后，由反响器底部经分布器进入反响器并与气体并流，在反响器上端扩大段，经溢流口过滤后排出。实验条件 本实验采用单变量实验方法。因为该实验是为以后的工业生产而进行的根底研究，考虑到工业中实际应用，设计实验条件如下： (1)表观气速(ug)：0.48cm/s，设置12个水平，由低到高上行后，再由高到低下行，以提高实验数据的精确度。(2)固含率(s)；(1040)%，以5%的量递增，共设置7个水平。(3)表现液速(uL)：0.1440.808 cm/s，设5个水平。测试方法 1.固含率s 以100 g水中砂子的质量为基准 测试方法2.气含率: g是气应体体积占整个反响器体积的分量。本实验

6、采用床层膨胀法来测量，即通过静止床层的高度与气体通过时的膨胀高度之差求得平均气含率，其计算式为： 测试方法3.床层压降：床层压降p是通过反响器上下测压点以斜管与水平呈30o角法测量的，两测压口间的距离为，故其计算公式为：操作条件对压降的影响 1.表观气速对压降的影响 在固含率s和表观液速uL不变的条件下，压降p随着表观气速ug的增加呈现出先上升后下降的变化趋势，图2所示为不同uL的实验结果。在未通入气体前，固体颗粒沉积于床层底部，形成一个相对固定的床层，待通入气体后，气体作用于这个床层，并逐步使固体流化须首先消耗一定的能量，一旦床层完全流化，床层混合平均密度下降，p开始下降。同时ug的增大，势

7、必造成床层阻力增加，但实验结果说明，床层混合平均密度下降对p影响程度比ug增大的影响要大，故随着ug的增加，p出现一个最大值后开始下降。在不同表观液速条件下，这一床层的疏松度也不同，而uL越大，表现液速对液化过程的作用越大。从而最高值越小。 操作条件对压降的影响L对压降的影响 图3显示了在几种气速下不同的uL对的影响。从图中可以看出，在其它条件不变的情况下，p随着uL的增加而略有下降。由于液体与气体并流，所以液体对固体颗粒的流化起到了促进作用，uL值越大，促进作用越强，相对来说气体对流化作用就有所减弱，而床层流化程度的上升必定造成p的下降。同时流化程度的增加，使得气泡聚并的时机减少，那么气含率

8、就会有所增加，引起床层混合平均密度下降，也造成床层压降的降低。 操作条件对压降的影响s对p的影响 床层固含率s的增大，势必使床层混合平均密度增大，从而使p增大。图4为s与p之间关系的变化趋势，在不同的气速条件下的实验结果是一致的。 操作条件对气含率的影响 1.表观气速对气含率的影响表观气速是影响床层气含率最主要的因素。固定s和uL不变，逐步增加表观气速，表观气速的增大那么单位时间内流人整个床层的气体的量增加，在气泡的尺度与分布正常的情况下，即气泡间无明显的聚并时，床层内气泡数量随着气速的增大而增加，故气含率。气含率逐步增大。2.表观液速对气含率的影响是随着uL的增加气含率略有增加。3.固含率对

9、气含率的影响是，固含率的增大，使得床层内固体颗粒的数量增多，使得气泡聚并的时机增多，从而形成到气泡的可能性较大，故而引起气含率的下降。固含率、表观液速对起始流化速度的影响 固含率的增大，那么气体使床层流化的阻力增加，要使床层开始流化那么需要更大的气速但由于液体对流化的促进作用，故在高表观液速时起始流化速度较低表观液速的Uc小。因为气液并流，两相对固体颗粒均有流化作用，随着表观液速的提高，床层趋于疏松，那么Uc必呈下降趋势回归结果通过以上所得结果，对影响床层压降P、气含率g及起始流化速度UC的各种因素的实验数据进行了回归，采用的方法是多元线性逐步回归法，所得各关联式为:结论 1.三相流化床的压降

10、由于有液体与气体的同时流动而略有减少，操作能耗随之减小，但液体的流动须消耗一定的功耗。 s是影响床层压降最主要的因素，直接影响操作的能耗，而s另一方面又涉及到反响器的处理能力，故确定合理的因含率是十分必要的。 3.三相流化床由于液相的循环流动而涉及气液别离的问题，特别是在高表观液速和高固含率的情况下，别离问题更显重要。 三相流化床的体积传质系数KLa 实验目的：研究三相流化床反响器内固体粒子的粒径大小,气体速度,液体速度等对体积传质系数KLa的影响。实验方案：采用 285mm的有机玻璃塔作为三相流化床,用压缩空气来解吸水中的溶解氧,采用一维轴向扩散模型来处理数据。 实验流程图示为实验流程示意图

11、,主体设备三相流化床为内径285高为4100的有机玻璃塔,在塔的底部装有气液分布器;次要设备吸收塔为内径200,高4000的有机玻璃塔,内填巨鞍形不锈钢填料,采用乱堆方式装入,以利于氧气被水充分吸收到达饱和。实验流程流程说明:气相:经缓冲罐来的压缩空气经玻璃转子流量计计量后,在流化床的底部经气体分布器后进入三相床内,呈气泡形状上升,解吸水中的氧气后在塔顶放空,在计量后进塔前装有压力表和温度计,用来测量入塔空气的压力和温度。液相:水槽内的自来水由吸收塔的顶部进入,与来自钢瓶由塔底进入的纯氧进行逆流吸收,变成富氧水后由吸收塔底部排出,由清水泵打入流量计,经精确计量后进入三相床底部的预分布段,经过分

12、布器进入塔内。被空气解吸氧后的水在塔顶经过筛网进行液固别离后进入水槽循环使用。固相:采用定量间歇的方法参加流化床内,被空气和富氧水流化,但在筛网的作用下而不会被带出。实验结论 通过对实验数据的分析和整理,我们得到如下一些影响传质系数的因素:1.分布板效应及塔高对传质系数的影响实验结果说明在分布板附近KLa急剧下降,然后沿床高的增加KLa的降低速度变慢,随着流速的增加KLa增加,但气速的影响比液速的要大,可见塔高和分布板对KLa具有一定的影响。2.粒子对KLa的影响 传统理论认为随着粒径的增大和装量的增加KLa均有所减小。实验结果说明，宜采用的粒径小于1,一般认为粒子主要是影响气泡行为,通过改变

13、气泡的聚并破碎现象来影响KLa的。 实验结论3.气速对KLa的影响大量的实验己经说明, KLa总是随着气速的增加而增加,传统认为主要原因是气速的增加使塔内的气含率增加,而且也使相接触面积增加,特别是大粒子时的增加更为显著。4.液速对KLa的影响液速对三相流化床的传质系数的影响一般认为比较复杂,且一般的结论为随液速的增大KLa也相应增大,但其影响没有气速的影响明显。综合起来看,液速对KLa的影响在小粒径时要比大粒径敏感,一般认为这与气泡的聚并现象有关。本实验说明,随着液速的增大, KLa值也随着增加,通常认为液速增加起稳定气泡及抑制气泡聚并破碎的作用,使气泡在塔内分布均匀,气泡的稳定性增加,从而

14、改变了床层内的相含率,也就是间接增大了相间接触面积,从而可以提高KLa的值。实验结论5.其它因素对KLa的影响大量的文献说明KLa的数值与实验所用的方法介质等有很大的关系。一般说来用吸收法和解吸法所得到的结果是不完全一样的。 KLa值随液体粘度和外表张力的升高而升高，同时KLa值还与介质的密度、温度等有关; KLa值的大小还与取样的位置有关,认为在塔内中心位置的值要比塔壁等其它地方的值要大。由于实验条件的限制这些因素没有进行。实验结论综上所述,三相床内的体积传质系数KLa与塔的分布板,固相粒子的粒径及装量，气、液速等许多因素有关系。在实验数据的根底上,还可进一步回归整理出包含这些参数的KLa的

15、经验关联式如下: 式中为系数,为指数,均由实验测定的数据回归而得到,如在均匀鼓泡域可得:,=0.8043,等。三相循环流化床气液传质的研究传统三相床主要应用于低液速及粗、重颗粒体系。随着新的生物化工及能源加工过程的兴起，细、轻颗粒床的应用越来越多。因此，针对细轻颗粒体系夹带率大的特点，梁五更等提出了有颗粒外循环的气液固三相循环流化床反响器，进而研究了在高液速、具有颗粒夹带条件下的床层流体力学特性。结果说明，三相循环流化床作为一种新型的反响器具有良好的潜在应用前景为了实现三相循环流化床的优化设计及操作，需要对三相循环流化床的气液传质行为及规律进行深入系统的实验研究。实验装置及测试方法实验在内径为

16、140 mm、高为 3 m的有机玻璃塔中进行，实验装置如图1所示气、液。固三相分别为空气、水和粒径为的玻璃珠水分两路引人床中：主水由塔底进入，经管式分布器均匀分布后用于流化颗粒；二次水从塔侧部引入，经板式分布器均布后用来改变固相入口阻力，从而调节颗粒的循环量。气、液、固三相并流向上，空气由塔顶放空，液固混合物经重力沉降别离后返回贮液罐循环使用，颗粒那么在重力作用下在储料筒内向下移动，实现颗粒的连续循环。实验采用9070型溶氧仪测量床层主体区域溶氧浓度的轴向分布，采用轴向扩散模型进行回归得到气液体积传质系数KLa。沿床体轴向位置设置7个采样孔，待操作稳定后，用25 ml的三角瓶同时取样用溶氧仪测

17、量样品溶氧浓度的同时，测量样品的温度以确定氧气的亨利常数在贮液罐中用氮气对自来水进行气提，以降低人口水的溶氧浓度实验结果与讨论 1.表观气速Ug对KLa的影响 由右图可见，在气液固三相循环流化床中，表观气速对气液体积传质系数的影响比较显著在一定操作液速条件下，随着表观气速的增大，气液体积传质系数KLa也明显增大，且在实验表观气速范围内， KLa随表观气速Ug的变化近似线性。 Ug对KLa的影响规律可根据表观气速的增大将增加气液传质相界面积及增强液相湍动程度来解释实验结果与讨论2.表观液速UL对KLa的影响右图为表观液速对KLa影响的实验结果。总体上讲，增大液速有利于改善气液相际传质，即KLa随

18、表观液速的提高而增大。从图 中可看出，在不同 Ug条件下，表观液速对 KLa的影响程度不同。 Ug较小时， UL对KLa的影响较小.而随着Ug的增大， UL对KLa的影响程度逐渐增大由此可以得出结论，当气液固三相流化床在较大气体通量条件下操作时，采用较高表观液速的三相循环流化床，可大大改善汽液相际传质能力。 实验结果与讨论3.颗粒循环速率对KLa的影响右图所示为在一定表观液速条件下颗粒循环速率及Ug与KLa的关系。由图可以看到，颗粒循环速率对KLa的影响存在一个极值点。根据对KLa影响规律的实验结果，三相循环流化床可以通过调节Gs，使床层在适宜的固相含率条件下操作，以使床层具有最大的气液传质能

19、力。因此，与传统三相流化床相比，三相循环流化床具有较大的操作弹性，并具有更好的气液相际传质特性。结论 采用溶氧法实验测量了三相循环流化床的体积传质系数，考察了主要操作条件对气液体积传质系数的影响，得出以下规律：1KLa随表观气速的增加而增大；2KLa随表观液速的增加而增大；3颗粒循环速率对KLa的影响存在一个极值点4与传统三相流化床相比，三相循环流化床具有较高的气液传质能力，通过选择适宜的操作条件，可以大幅度提高床层的气液相际传质速率，实现该类反响器的最正确操作。三相流化床传热模型韩国学者Yong Jun Cho等研究了高米、直径米的流化床传热模型。装置如图： Heat Transfer an

20、d Hydrodynamics in Two-and Three-phase Inverse Fluidized Jun Cho,etc.,Ind. Eng. Chem. Res.,2002,41:2058-2063 三相流化床传热模型给出了传热系数公式： 同时给出了传热努谢尔特数公式： 它们的传热系数分别为、。 三相流化床传热模型我国学者陈健生等实验研究了广泛应用于石油、化工、轻工、动力和原子能工业的沸腾换热模型。结合渐进模型及外表更新模型提出了气液固三相流动沸腾传热系数的计算方法。试验段为不锈钢管，45mm*3mm，长2m。在一定的电加热功率下，饱和盐卤料液在试验段内沸腾形成气液固三相流。

21、装置如图： 气液固三相流动沸腾传热计算与实验研究，陈健生等，化工学报，2002，534，2：139143三相流化床传热模型建立模型：设任一时刻固体粒子与加热面壁的面积分数为，那么气液两相流与加热面接触面积为1-p，根据外表更新机理，结合Steiner和Taborek的渐进模型，三相流动沸腾传热系数可表示为： 其中hfs为固体粒子与壁面间的对流传热系数，参照Jamialahmadi等计算式： 其中K为与固体粒子形状有关的常数，球星粒子K，圆柱型粒子K； 12三相流化床传热模型式中f为固体粒子与壁面间的碰撞频率，参照Martin给出的气液固流化床的计算式： 式中f、cpf、f分别为气液两相流的密度

22、、比热容和导热系数，采用气相和液相相应性质加和而得： 34三相流化床传热模型气液两相流与壁面间的对流传热系数hftp采用下式计算：Ftp为传热强化因子，采用Collier计算式：56三相流化床传热模型Prtp为气液两相流的Prandtl数： Retp为气液两相流的Reynolds数: 78三相流化床传热模型受固体粒子影响的流动泡核沸腾传热系数：流动泡核沸腾传热校正影子：压力校正因子：91011三相流化床传热模型热通量子数：相对分子质量校正因子： 蒸发管内径校正因子：量纲1化比照压力： 12131415三相流化床传热模型hnb受固体粒子影响的齿式泡核沸腾传热系数， hnb0为无粒子时传热系数，采

23、用Pioro关联式计算：液固混合物导热系数：其中：16171819三相流化床传热模型接触面积分数：np/Np表示总粒子数中与壁面接触的粒子分数：以上121各式联立求解，就可得三相流动沸腾传热系数。与实验结果比较，计算结果与实验结果较好地吻合。2021结论流化床理论开展于1940年代，经过了几十年开展，取得了一定的成果，然而还远远没有完善。流化床传热模型种类繁多，但大多都是适用于两相流，三相流的研究还不多。同时，传热模型都是对特定体系、特定条件下的实验有很好的吻合，迄今还没有完善统一的理论出现。将来的研究应加大对流动床内各种影响因素的考察，研究其相互联系，相互影响，以对其机理幽深入、全面的理解，

24、从而建立更加合理的模型。三相流化床的开发应用气-液-固三相流研究开始于20世纪60年代，气-液-固三相流化床由于其具备接触面积大、相间混合均匀、传热传质效果好和温度易于控制等优点而得到了全面的应用，广泛应用于石油化工、生物化工、食品化工、矿物工程及能源工程中。纵观气-液-固三相流研究进展，大体上分为3种趋势：1为实际应用开发新型的三相循环流化床；2对床内的汽泡行为和粒子行为进行根底研究；3以计算流体力学和气液、气固、以及固固相间流体 力学理论为根底，依靠计算机模拟来设计优化和放 大效劳。三相流化床烟气净化装置及其应用 我国是产煤大国，也是耗煤大国，2000年煤炭产量到达了13亿吨，其中80%用于燃烧。在大量利用煤炭热能的同时,也产生了严重的大气污染问题，特别是中小型地方电厂、热电厂、工业锅炉等，尽管规模小，但数量众多，所造成的SO2排放总量与大型燃煤电厂的排放总量相当，不容无视。为此，国电热工研究院(TPRI)开发了用于中小型锅炉的三相流化床脱硫除尘装置,其特点、净化原理以及设计组成介绍如下。三相流化床烟气净化装置及其应用三相流