填料床反应器中的单相和两相流

气液逆流立式填料床 (填料柱) 常用于蒸馏、吸收和剥离等分离过程。¹并水平填充床通常用作反应器或吸附固体催化剂或吸附剂。在这两种情况下 (作为分离器或反应器), 填料增加了气液接触面面积。¹包装可以以两种形式存在: 倾销包装, 包括粘土、金属或陶瓷氧化物等材料的随机或简单几何形状, 或由普通金属和塑料构成的规整填料, 由高度定义的互联与大多数倾倒填料相比, 几何网络 (通常是波纹金属或塑料) 可以减少压降。¹但是, 无论是水平还是垂直, 不 (通灵) 都可能会降低分离器、反应器或吸附的性能;有时, 可以使用各种类型的流量分配器来减轻影响。²单相填料床 p 的可与额尔古纳市方程的预测相比较。³

示踪剂是被注入到上游流中的染料, 它的成分作为时间的函数被测量在河床的下游流中。⁴可测量的示踪分子被假定为构成液体流动的所有分子的特征。注入的跟踪器的体积必须相对于系统体积小。如果完美的塞流 (没有轴向混合) 发生在一个填充床, 那么在时间零注入的示踪剂将在以后的时间离开床作为穗。对于任何真正的床, 示踪剂将在较长的时间内以较低浓度分散出反应器。如果流动不 maldistributed, 传播将被描述由高斯 (正常) 发行, 以曲线的峰顶在平均停留时间观察。随着时间的推移, 示踪剂的扩散越多, 不越差, 而分离或反应过程通常越差。

居住时间分布 (RTD) 描述了分子可以在床上度过的时间分布。如果M是注入系统的跟踪器的总质量, 则Q的体积流量, 和C(t) 是出水浓度, 那么示踪剂的质量平衡是:

(1)

等式的左手边 (1) 代表示踪大量在, 并且右手边代表大量。E(t) 是在床上的停留时间分布 (RTD), 一个概率分布。使用公式1作为积分, E(t) 可以计算为:

(2)

E(t)dt是介于t和t + dt之间的停留时间的退出流中分子的分数 (概率)。术语 E 曲线和 RTD 是同义词。对于填料床, 停留时间与空隙量 (总反应器容积V的乘积和孔隙率) 有关, 除以容积流速, Q。平均停留时间,, 可以定义和相关的 E(t)dt, 概率一个给定的分子进入床 t = 0 将退出 t:

(3)

从等式3看, E (t) 有逆时间单位。有时, 无量纲 e 曲线被绘而不是 e 曲线。此无量纲 e 曲线 e (t/) 是通过将 e 曲线乘以得到的. 其平均值为1。另一种量化偏离流 ("色散") 的方法是计算 E 曲线的方差 (σ²) 除以其平均平方:

(4)

如果不不存在, 这个数量应该是不变的关于流动率为一个被包装的床。由于分子扩散所引起的数值范围只应是:

(5)

对于 re_p < 40, 其中 re_p是粒子雷诺数, d_p平均粒径和 L 床长。实验σ²比由公式5和高斯分布的偏差所预测的更大的值表示流不, 如 E (t) 曲线中的 "早期" 峰值或主峰值上的长尾。

在某些情况下, 不的性质和大小可以直观地观察到。这在两相流中尤其如此。两个简单的模型存在于两相流, 均匀模型和分层模型。^3,5对于均匀流, 基本假设是实际的气体速度, u_G,实际液体速度, u_L和液体气体混合物的平均速度, u_tp是相等的:

u_L = u_G = u_tp (6)

然后用 g/U_tp (g 是质量速度) 给出两相密度, 并给出了平均两相粘度, µ_tp, 由:

μ_tp^-1 = μ_L^-1 (1-X) + μ_G^-1 X (7)

其中 X 是质量 (蒸气-液体混合物中的蒸气的重量分数) 和µ_L, μ_G是各自的液相和气相中的粘度。

对于分层流, 一旦压降、总孔隙度和两个容积流速都已知, 则可以通过设置两个相相等的额尔古纳市方程 (或类似的 p 方程) 来计算活性 (即不停滞) 流动的气体体积分数。你可以预测 p/升。无论流动的类型, 两个阶段必须有相等的压力下降, 因为它们是平行的。质量平衡将两相速度与实际相速度联系起来:

u_tp = u_L (1 α) + u_g (α) = G [(1-x)/ρ_升+ X/ρ_g] (8)

气体流动对液体的作用是减少其有效截面面积, 并提供近零剪切界面。液体流动对气体的影响也降低了其有效截面面积。因此, 实际的两相流压降通常超过 p 的计算简单的基础上测量或计算α和应用一个填充床 p 方程 (使用α而不是ε)。

在从光谱仪信号中减去适当的基线 (如有必要) 后, 获得 RTDs (E 曲线, 使用方程式 1-2)。在图 3中, 对床 #3 (此处未使用) 进行基线校正的示例。用方程1-3 计算了平均孔隙度、示踪质量、平均值的停留时间、方差和方差除以 RTDs 的均方平方. 比较计算的示踪剂质量与注入质量-如果它们不在预期精度内, 请检查基线是在分光计测量中确定的 (也许不同)。研究方差与色散理论的预测 (方程式 4-5) 的比较;偏差表示过度的通灵。

图 3.床 #3 无量纲 RTD E 曲线 (390 毫升/分钟, 50 ppm 示踪剂注射液) 有和没有基线校正。 公式2和3的计算是 3.6 min。基线校正是通过减去两个平均基线值, 一个前一个, 一个在最大。前一个是从所有值中减去最大之前, 另一个后是 subtraced 从所有值后最大。

当地层孔隙度 (方程式 3) 被发现后, 额尔古纳市方程可用于预测 p 的水流实验。平均粒径必须先计算。因为粒子拖动与流的面积有关, 所以表面积 (d²) 加权通常是获得一系列粒子的平均直径的最佳方法。平均直径可以计算如下, 从材料列表中的信息中获取粒子直径 (ω_i是直径为 d 的粒子的重量分数,_i):

(9)

计算出的孔隙度可以用来确定的原因之间的任何差异预测 (由额尔古纳市方程) 和测量 p 的。例如, 封闭填充球体的最小孔隙率为0.36。这是不可能的一整张床的真正ε少于0.3。预测 p 的 > > 实际 p 的建议, 沿墙壁或在床的上部, 当解决发生时窜出 (短路)。这种现象会导致低ε计算从 E 曲线, 导致高预测 p 的。这是图 4中两个病床 #3 和4的情况。请注意, 更预期ε = 0.36 再现了额尔古纳市方程的结果, 但在一个非常高的流量率, 其中高百分比的流量是通过低空隙地区。这种通灵可以在实验中观察到。

图 4.实验性的ΔP 与额尔古纳市方程的预测相比较, 在ε = 0.36 和从 E 曲线确定的ε值.

预测 p 的 < < 实际 p 的建议, 只有通过下半床, 或部分床堵塞。对于这些病床, 这是不可能的。

对于两相流, 用方程6-9 计算了均质流和分层流理论预测 p。对于分层流, 必须同时求解额尔古纳市方程和方程9获得α, 设置额尔古纳市 p/l (液体) = 额尔古纳市 p/升 (气体)。然后比较计算的与实际的 p 的, 看看哪个理论最适用, 或者事实上这两种理论都适用。其他流动的制度 (如, 蛞蝓, 薄雾或不均匀的气泡流) 是可能的, 因为是主要的流动扭曲, 由于通灵, 这往往是更普遍的两相流。

对于通过床 #5 的两相流, 用均质流理论计算的 p 比采用分层流动理论的方法要好 (表 1), 尽管这两种理论都不完全适用。高实际 p 建议在两相流中的水平床上有严重的窜沟--液体被限制在横截面积的一小部分。事实上, 目视检查估计的气体体积分数至少有0.90。液体也被限制在低空隙的非壁区, 这增加了 p。这一结果反映了两相流的简化流变模型的局限性, 以及为什么更复杂的微观模型在今天得到更多的应用。

表 1: 气体体积分数α和压力下降两相流, 床 #5。

Q 水	Q 空气	Q 空气	α 分层)	ΔDP 分层) 防	ΔDP 均匀) 防	ΔDP 实际) 防
毫升/分钟	ft3/分钟	毫升/分钟
1100	1.62	45900	0.58	2。2	12	17
1100	1.26	35700	0.47	1。7	10	14
1100	1.11	31400	0.38	1。5	9。5	11
1100	0.930	26300	0.19	1。3	8。6	8
500	0.73	20700	0.58	0.66	3。4	12
500	0.50	14200	0.47	0.50	2。7	9
500	0.39	11000	0.38	0.40	2。7	6
500	0.16	4250	0.19	0.29	1。4	3

在这个实验中, 水平填料床的实际流动行为, 无论是在单和两相流, 与更简单的理论模型的压力下降和分散 (流扩散在轴向, 偏离了堵塞流)。示踪试验在探测不 ("窜") 中的效用已被证实, 甚至已经表明, 从示踪试验中计算出的某些指标可以给出窜流原因的一些概念。这些计算使用示踪剂测试, 如计算电子曲线, 通常被称为 "停留时间分布" (RTD) 理论。

单相水流中的窜流可以沿壁或任何其他低空隙区域发生, 例如, 如果沉降发生在水平床上。两相流中的通量可能是由于更复杂的原因造成的, 而简单的两相流理论很少预测填料床中的压降。窜流增加下游分离成本或可能破坏产品。设计的目标总是通过为给定的 Q 找到最佳的床和粒径, 并通过在某种程度上以最小化沉淀的方式来包装床, 来最大限度地减小窜沟的程度。

示踪法的测试是一个简单的方法来量化的 RTD。然而, 这些示踪剂很少与过程中使用的分子相同 (尽管它们可以接近, 如果使用同位素的话)。因此, 在流体相中, 示踪分子的行为可能与反应物或吸附分子完全不同。尤其重要的是, 示踪剂不能吸附在固体颗粒上, 因为它不能完全成为一个流体分子的特征。

反应物中每个分子在化学反应器内的时间是对所需产品进行宏观转换和选择性的一个重要决定因素。"死区" (停滞流区域) 的出现往往导致比预期的选择性更差, 即使转换不受影响。这就是为什么 RTD 理论在反应堆设计中如此重要的原因之一。⁴

环境和石油工程师也使用示踪剂来帮助描述地下固体填料结构。在这些应用中, 两个井分别钻了一段距离;一个跟踪器被注入一个并在另一个中被恢复。由于地球的地下是高度异质的, 出水剖面 (e-曲线) 通常是对称, 表明存在的优先流路径。这一信息有助于描述地下岩层的结构, 这对于模拟石油开采和地下水中的污染物迁移具有重要意义。

在环境工程中, 利用分区示踪剂可以定位和量化地下地层中的有机污染物。注入一个惰性示踪剂来表征两个井之间的流动 (水) 相。分区追踪器然后被注射, 优先地划分入有机污染物阶段, 如果你存在。示踪剂足够轻, 它最终会漫出有机相中。这种行为表现为与惰性示踪剂相比的时间延迟, 这两种现象的比较可以用来推断停滞的有机相中的体积。

在非反应堆、非吸附应用中, 在发电厂中也普遍存在两相流动。一个例子是沸腾的传热, 蒸汽在锅炉中产生。它们也被发现在所有的蒸馏塔, 吸收体和脱衣舞, 虽然在垂直而不是水平配置。

材料列表

名称	公司	目录编号	评论
设备
床 #3 –玻璃珠	grainger	25-40 目 (50%) 60-120 目 (50%)	平行包装
床 #4 -玻璃珠和喷砂	grainger	60-120 目 (90%)-玻璃 80-120 目 (6%)-玻璃 120-200 目 (4%)-沙子	混合在一起
床 #5 –玻璃珠	grainger	5-10 目
干式测试仪	歌手	机型803
光纤紫外-可见光谱仪	海洋光学	型号 USB2000	包括海洋光学 DT-1000 光源
试管	vwr	10毫升	用于校准
试剂
黄色/绿色荧光染料	科尔-cole-parmer	0298-17	用于构成示踪剂解决方案