气液固三相浆态床反应器研究进展

由于在甲醇合成、费托合成等工艺中的成功应用,气液固三相浆态床反应器的研究引起了越来越多的重视.本文综述了有关浆态床反应器方面的研究,包括:流体力学性能、反应器设计、固液分离以及产业化进程.详细地介绍了影响浆态床反应器流体力学性能的主要因素:压力、温度、气体表观气速、液体性质及固含率等对流型、气含率、气泡停留时间分布和传质系数的影响.总结了近年来在浆态床反应器设计和固液分离方面的研究成果.     

煤间接液化费托合成浆态床反应器的研究进展

随着煤炭间接液化技术在百万吨级商业示范装置上的成功应用，作为其核心设备的费托合成浆态床反应器，涉及气液固三相湍流流动、传热传质及反应，其随反应器直径放大及内构件结构布局的变化而发生改变，进而影响反应器性能的多个复杂过程，导致在反应器设计、放大及操作优化上面临巨大挑战，科研及工业界仍然持续重视。本综述分析了影响浆态床反应器流体力学性能的主要因素，对浆态床反应器的流型、气含率、气泡行为、传热等研究进行了总结。介绍了浆态床反应器核心内构件的结构特点及发展状况，回顾了浆态床在费托合成反应过程中的工业应用历程，并展望了费托合成浆态床的研究趋势。     

浆态床蒽醌加氢反应器模拟

基于浆态床二维轴对称流体力学模型,结合蒽醌加氢反应动力学、物质输送与扩散方程和热量传递模型,构建了浆态床蒽醌加氢反应器数学模型,获得了浆态床内气液固三相流场分布、组分浓度分布、温度分布及停留时间分布等关键信息。模拟结果表明：浆态床内物料呈现中心向上而壁面向下的循环流动特征,流体返混强烈,液体的返混状态接近于全混流,气体返混状态近似为两级等体积全混流;反应物浓度或催化剂含量表现为底部高而顶部低的分布规律,浆态床底部的反应更为强烈,气液传质特性对于蒽醌加氢反应有较大影响;受进料影响,温度分布为底部低而顶部略高,通过夹套换热,全塔温差控制在5 K以内。反应器模型的模拟结果与工业数据符合较好,可应用于工业装置的设计及优化。     

高固含率三相鼓泡淤浆反应器气液传质研究及其采用两种气体分布器的比较

以空气-水-黄沙以及空气-液体石蜡-黄沙两种系统为对象，在常压下用溶氧仪研究了采用小孔式及金属烧结板两种分布器的高固含率三相淤浆反应器的气液传质特性，以及固含率和表观气速等因素对容积气液传质系数kLa的影响，最后得到采用上述两种气体分布器的高固含率三相淤浆床关于容积气-液传质系数的经验关联式。实验证明，金属烧结板具有更好的气液传质特性。     

浆态床反应器流体力学行为研究及工业应用

浆态床是一种重要的气-液-固三相反应器,具有结构简单,传热、传质性能好以及催化剂可在线补加和更换等优点,在学术研究和工业应用上备受关注。对浆态床反应器的流型、气含率、气泡行为、传质、传热等研究进行了总结,并对温度、压力、液体性质等参数对于流体力学性质的影响进行了分析。介绍了多级浆态床和构件式浆态床新型反应器,对浆态床在大化工、精细化工及环保等重要过程中的工业应用进行了总结,并对浆态床反应器的应用前景和研究趋势进行了展望。     

浆态床反应器流体力学行为研究及工业应用

浆态床是一种重要的气-液-固三相反应器,具有结构简单,传热、传质性能好以及催化剂可在线补加和更换等优点,在学术研究和工业应用上备受关注。对浆态床反应器的流型、气含率、气泡行为、传质、传热等研究进行了总结,并对温度、压力、液体性质等参数对于流体力学性质的影响进行了分析。介绍了多级浆态床和构件式浆态床新型反应器,对浆态床在大化工、精细化工及环保等重要过程中的工业应用进行了总结,并对浆态床反应器的应用前景和研究趋势进行了展望。     

操作变量对大型浆态床反应器流体力学特性的影响

研究了系统压力、表观气速和固体颗粒体积分数对浆态床反应器气含率、气泡直径及气液接触面积的影响 ,通过试验得出了气含率和操作变量之间的统计关联式 ,给出了在湍流条件下浆态床反应器中气含率和气体动量之间的关系     

鼓泡床内气泡直径的分布

气泡的直径分布是决定鼓泡床反应器气液接触面积的重要参数，其轴向分布对鼓泡床反应器的设计和性能优化具有重要意义。喷嘴作为气体分布器的最小单元，对气体分布器的分布性能起决定性因素。本文考察了不同孔径喷嘴对鼓泡床内气泡分散的影响，结果表明，对于在孔口产生的小于最大稳态气泡直径ds的气泡，将稳定存在于床层内，而直径大于ds的气泡，将迅速破碎，最后形成近乎一致的气泡粒度分布，喷嘴的影响距离在21cm左右。     

气-液-固三相浆态反应器冷模考察

由于气—液—固三相浆态反应器有温度易控制等独特的优点,近年来在化学反应工程上得到广泛的研究和实际应用,我们结合浆态反应工艺的开发,对气—液—固三相浆态反应器进行了比较系统的冷模考察,关联了气含率与各种影响因素的经验方程,确定了有关参数,这对实际反应器的设计提供了有价值的依据。     

自吸式涡轮搅拌桨的性能研究

系统地测定了自吸式双圆盘六叶涡轮桨应用于气－液－固三相浆态搅拌反应器的性能。研究了吸入气体的临界转速、表征搅拌桨对气体抽吸能力的吸气压力、气体自吸的吸入流量、搅拌功率、气含率、气液分散性能和气液传质规律，以及固体催化剂颗粒的悬浮问题。采用磁钢密封结合自吸式涡轮搅拌桨的三相浆态搅拌反应器，比较适宜于精细化学品合成的工艺研究及本征动力学测定，并对中小规模三相浆态反应工艺的连续化生产提供了可行性研究。     

三相强制外循环环流反应器内的局部气泡行为

为适应新兴的工艺过程，提出一种带有强制外循环的中心气升式内环流反应器。根据结构特点及流动状态不同，将强制外循环环流反应器分为6个流动区域，即环流反应器底部区、气体分布器影响区、浆液进料影响区、导流筒上行区、气液分离区和环隙区。研究了不同流动区域内的局部气泡特性。发现不同流动区域内气泡直径沿径向的分布有较大差异，倒锥形底部结构显著影响了环流气泡的数量与直径。推导出了不同流动区域内平均气泡直径的理论模型，模型结果与实验数据吻合较好。     

撞击流反应器用于甲醇合成反应

撞击流反应器用于气液固三相甲醇合成反应可以充分发挥其优良的传热、传质性能。在撞击流反应器内,催化剂浆料经喷嘴雾化后成微米尺度的液滴,气液相间接触面积远大于其他三相合成反应器。考察了温度、压力、气体流量、浆料循环量以及喷嘴个数对甲醇合成反应的影响,结果表明,当压力从3.8 MPa上升到5 MPa时,反应器的时空产率增长了近1倍,气体流量达22.4 L·min^-1后时空产率几乎不再变化,增加浆料循环量以及在同一循环量下采用多喷嘴对置都可以增加催化剂时空产率。同时,与固定床、搅拌釜和浆态鼓泡床甲醇合成进行了对比,结果表明,在低空速下撞击流反应器与其他反应器时空产率相当,而在高空速下要优于其他反应器。     

多层百页窗式挡板三相流化床中液相混合行为

采用脉冲应答技术测定了矩形气液固三相流化床反应器中液相混合时间和下降速度。考察了挡板结构、气液流量、固体浓度对床层液相混合行为的影响。实验结果表明，在床中设置挡板构件，对液体混合时间与液体下降速度的影响不明显。     

气液固三相并流系统流型的混沌识别

运用确定性混沌分析技术，研究了气液固三相并流系统散式鼓泡流、聚式鼓泡流、柱塞流、泡沫流及环状流压力波动信号的混沌动力学行为。结果表明，吸引子可以用来表征气液固三相并流系统的动力学行为，混沌特征参数相关维D2和K熵可以用来定量识别以上五种流型。以混沌定量识别为基础，给出了三相并流系统的流型图。     

文丘里型气液分布器的实验与数值研究

以一种文丘里型气液分布器为对象,在直径为28 cm的冷模装置中考察了其流体力学性能。气、液流量分别在5~25 m³·h^-1、0.2~0.6 m³·h^-1范围内,使用激光粒度仪测量了液滴Sauter平均粒径（D₃₂）,并测定了其分布均匀性和抗塔板倾斜性能。结果表明：文丘里结构加强了气液混合,与泡罩型分布器相比,此分布器具有更好的液滴破碎性能;气速增大会使出口液体从伞状流变为喷射流,但仍能在直径约为出口直径10倍的区域内均匀分布;在气、液相负荷分别为10~20 m³·h^-1、0.4~0.6 m³·h^-1时,液位在进液口和进气口之间,此时分布器具有优异的抗塔板倾斜性能。采用计算流体力学软件模拟了分布器内部气液流动过程,得到了相含率和速度矢量图,所得结果有利于分布器的分析与改进。     

Multiple effects of operating variables on the bubble properties in three-phase slurry bubble columns

Flow properties of gas phase reactants such as size, rising velocity and frequency were investigated in simulated three-phase slurry bubble column reactors. Effects of gas velocity, reactor pressure, liquid viscosity, solid content in the slurry phase and column diameter on the flow properties of a gas reactant were determined. The multiple effects of operating variables on the bubble properties were well visualized by means of contour maps. The effects of operating variables on the flow properties of bubbles changed with changing column diameter of the reactor. The size, rising velocity and frequency of reactant gas bubbles were well correlated in terms of operating variables including column diameter of the reactor. This work was presented at the 7 ^th China-Korea Workshop on Clean Energy Technology held at Taiyuan, Shanxi, China, June 26–28, 2008.     

三相鼓泡淤浆床环氧乙烷合成反应器数学模拟及工程分析

建立了加压三相鼓泡淤浆床环氧乙烷合成反应器的数学模型 ,计入了催化剂颗粒在床层中沉降形成沿床高浓度分布对反应的影响以及由于惰性液相载体部分返混对传递的影响 ,进一步利用经实验验证的上述数学模型模拟不同表观气速、床高、反应器直径 (扣除传热元件截面积 )、进口乙烯摩尔分数等参数对床层中催化剂浓度随床高的分布、出口环氧乙烷摩尔分数、环氧乙烷选择率以及单位质量催化剂环氧乙烷年产量的影响 .通过模拟分析预示了工业三相床环氧乙烷反应器的合理尺寸、表观气速、环氧乙烷选择率以及时空产率 ,为工业化提供必要的设计依据     

气液固流化床流动介尺度模型研究进展

气液固流化床是一类重要的多相反应器,在化工及相关过程工业中有着广泛的应用。然而,由于对该类反应器内复杂的多相流动结构的定量描述十分有限,目前其设计和放大仍主要依赖经验,致使放大成功率低,反应结果达不到预期效果。因此,建立和完善气液固流化床内的三相流动机理模型,是实现该类反应器科学设计和放大的关键环节。对气液固流化床内的三相流动机理模型的研究进展进行了分析,着重总结了三相流动介尺度机理模型研究的新进展,并指出了存在的问题和进一步研究的方向,希望为该类反应器的基础研究和工业应用提供参考。     

固定床反应器内气体预分布器研究

研究了直径1 000 mm,高3 000 mm的固定床冷模装置中气体预分布器对反应器内气流分布的影响。结果表明:气体分布器可改变床层内气流流形并使径向气流的速度分布趋于均匀;随着表观气速的增加,反应器内气流的不均匀程度增加;分布器的环隙高度在一定的范围可使反应器内气流的不均匀程度相对较好。应用计算流体力学软件CFX对固定床反应器内的流场进行模拟计算,并与大型冷模试验测试结果进行比较,模型计算值和冷模试验测量值吻合较好。