三相機械攪拌反應(yīng)器氣液傳質(zhì)

楊立紅

摘 要：三相機械攪拌催化反應(yīng)器當中的宏觀反應(yīng)過程主要有和液相和液固間傳質(zhì)，我們在這一過程中采用的是細顆粒的催化劑，液固表面的面積非常大，液固界面的位置的傳質(zhì)阻力不能準確的估計出來，而氣液間的傳質(zhì)過程主要有氣相中反應(yīng)物和產(chǎn)物，其一般是三相催化反應(yīng)的氣體組分在液相介質(zhì)當中的溶解度并不是很大，氣相傳質(zhì)一般是可以不計的，但是在這一過程中必須要充分的考慮到液相傳質(zhì)的影響。

關(guān)鍵詞：三相機械攪拌反應(yīng)器；液相容積傳質(zhì)系數(shù)；操作參數(shù)

當前，有關(guān)固體顆粒粒徑、密度等多種固體性質(zhì)的材料對三相攪拌混合體系傳質(zhì)影響的研究還不是十分的廣泛，也不是十分的到位，但是這種研究已經(jīng)在不斷的深入和發(fā)展，科學技術(shù)也在改進和完善，在這樣的情況下，三相機械攪拌反應(yīng)器氣液傳質(zhì)也就可以在更好的背景下求得發(fā)展。

1 實驗部分

1.1 反應(yīng)器

實驗在內(nèi)徑60mm、高220mm、壁厚5mm的有機玻璃制蝶形底自吸攪拌式反應(yīng)器中進行，攪拌器由一根不銹鋼10mm×2mm空心軸和直徑30mm的兩圓盤組成，兩圓盤外緣加4根肋條，空心軸上端開有2個3mm的小孔，下端兩圓盤間亦開有3個2mm小孔，下圓盤離反應(yīng)器底間隙為20mm，反應(yīng)器內(nèi)壁裝有4塊寬6mm的縱向條形擋板，以增強液相湍動并防止出現(xiàn)旋渦。當自吸式攪拌器以一定速度旋轉(zhuǎn)時，在兩圓盤間形成負壓，反應(yīng)器內(nèi)液面上方的氣體由空心軸上端小孔處吸入，沿空心軸向下，并由下端圓盤間小孔鼓出，氣泡從槳端逸出，運動至釜壁，被兩圓盤邊緣的擋板打碎成很小的氣泡，分散通過反應(yīng)器內(nèi)淤漿床.通過劇烈的攪拌，氣體在反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)，固體顆粒懸浮在液體中，氣體與顆粒充分接觸。

1.2 實驗條件

實驗介質(zhì)用空氣、水、液體石蠟以及黃沙、石英砂、甲醇合成催化劑XNC98.黃沙顆粒密度2609kgm-3，粒徑為0.375～0.140mm（40～120目的相鄰目數(shù)篩孔尺寸的算術(shù)平均值），石英砂顆粒密度2426kgm-3，催化劑XNC98顆粒密度1969kgm-3，實驗操作條件：表觀氣速0.10×10-2～1.50×10-2cms-1；固體濃度0～0.34gml-1溶劑；攪拌轉(zhuǎn)速450～1500rmin-1；水和液體石蠟的物性數(shù)據(jù)來源于大量文獻，在實驗溫度下，25℃時水的黏度0.894×10-3Pas，水的密度997kgm-3，溶解氧在水中的擴散系數(shù)2.407×10-9m2s-1，水的表面張力0.07194Nm-1.40℃時液體石蠟的黏度0.01048Pas，液體石蠟的密度837.54kgm-3，溶解氧在液體石蠟中的擴散系數(shù)0.6396×10-9m2s-1，液體石蠟表面張力0.02769Nm-1。

1.3 實驗流程

在該實驗當中主要采用容氧電機動態(tài)法去測定KLa，在反應(yīng)器的上部還要插上溶解氧電極，這樣就可以十分有效的測定液相當中實時的含氧量，溶氧儀采用的是專業(yè)的溶氧儀，在攪拌轉(zhuǎn)速的控制上，我們采用的是可控直流調(diào)速儀進行處理。傳質(zhì)系數(shù)測定。

在空氣經(jīng)過了壓縮處理之后，要經(jīng)過減壓閥進行減壓控制，這樣也就能夠充分的保證緩沖罐穩(wěn)壓的情況，轉(zhuǎn)子流量計計量，主要是通過反應(yīng)器頂蓋上方的位置進氣管引入，在經(jīng)過了擋板沖擊折流之后經(jīng)過三相攪拌淤漿床，之后再將氣體通過放空閥進行防空處理，在開展測定工作的時候，我們首先要通入適量的氮氣，此外，其在數(shù)量上也要保持在合理的范圍當中，使得溶氧儀上的液相氧含量能夠降低到滿足要求的水平上，對初始含氧量進行科學準確的記錄，之后再中止氮氣的通入，將三通閥直接切換到通入空氣的狀態(tài)，在看到了空氣炮開始進入到攪拌反應(yīng)器之后，對其進行計時處理，此外還要在這一過程中對液相當中氧的濃度進行記錄。

2 實驗結(jié)果集討論

分別將水和醫(yī)用液體石蠟當作液相，在研究的過程中采用單因素法對實驗點進行設(shè)定，對操作因素和液體性質(zhì)以及固體顆粒粒徑、密度等固體性質(zhì)在內(nèi)的無形因素對液相容積傳質(zhì)系數(shù)的影響進行研究，在以上的實驗條件下一共測定了146個數(shù)據(jù)。

2.1.1 表觀氣速與固體濃度的影響

從實驗結(jié)果上我們可以充分的看出，不論是空氣、水、黃沙體系還是空氣液體石蠟，該體系在固體濃度處于穩(wěn)定狀態(tài)下會隨著表觀的氣速增大而使得液相容積傳質(zhì)系數(shù)也不斷的增大，同時在同一個表觀的氣速條件下，液相容積傳質(zhì)系數(shù)在這一過程中也能得到顯著的提升。

在三相攪拌體系的角度上來講，固體濃度對液相容積傳質(zhì)系數(shù)的影響具有非常明顯的復(fù)雜性，一方面，因為一定固體物質(zhì)的加入，使得氣液兩相占據(jù)的空間在不斷的減少，這樣也就使得企業(yè)比表面積都呈現(xiàn)出減小的狀態(tài)，從而也對傳質(zhì)的過程產(chǎn)生了非常顯著的影響，另外，如果懸浮液的表觀黏性因為固體物的影響而不斷的增大，就會使得固體濃度不斷增大的時候，體系的密度和摩擦都呈現(xiàn)出顯著的上升的狀態(tài)，這樣也就適當?shù)牧黧w的阻力也一直都呈現(xiàn)出逐漸走高的狀態(tài)。在攪拌速度完全相同的條件下，使得液體流動的阻力也在這一過程中顯著的增加。在攪拌速度完全相同的條件下，液相的湍流強度和氣體分散的程度都在不斷的減小，氣泡合并的速度越來越快，氣液表面更新的速率顯著的降低，這樣也就使得企業(yè)表面積在不斷的減小。此外，考慮到固體顆粒一直都在每一個氣泡的凈值當中，其可以十分有效的對氣泡的聚集產(chǎn)生一定的抑制作用。另外，企業(yè)固體間的速度差也造成了較大的剪切應(yīng)力，懸浮顆粒和氣泡的相對速度是分裂氣泡的一個非常有效的動能，顆粒在這一過程中也促進了對氣體的分散作用，這樣也就使得氣液比表面積都得到了顯著的提升。而在不同因素的相互作用當中，它主要是要看哪個因素占到了主體的位置。在本文的實驗條件之下，固體濃度對傳質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為液相容積傳質(zhì)系數(shù)會隨著固體濃度的增加而不斷的增大。

2.1.2 固體性質(zhì)的影響

分別在空氣、水體細和空氣液體石蠟體系當中使用黃沙、石英砂和催化劑當作固體，對不同固體性質(zhì)對液相容積傳質(zhì)系數(shù)進行了研究。

在氣-液-固三相體系，固體顆粒的存在影響液體循環(huán)，改變氣泡聚并，從而影響傳質(zhì)性能，究竟導(dǎo)致液相容積傳質(zhì)系數(shù)上升還是下降，取決于顆粒粒徑、密度、固體濃度以及液相的物理化學性質(zhì)等因素的綜合影響。由實驗結(jié)果來看不論是水體系還是液體石蠟體系，不同固體的液相容積傳質(zhì)系數(shù)是不同的，順序分別為：黃沙<石英砂<催化劑XNC98，不難看出，顆粒密度減小，有利于液相容積傳質(zhì)系數(shù)的提高，這可能是因為固體密度越小，相同攪拌轉(zhuǎn)速下，液體向上流動所克服顆粒的沉降阻力較小，顆粒易于懸浮，相同的顆粒粒徑和固體濃度下，固體密度越小，則體系中懸浮的顆粒數(shù)量越多，利于氣體的破碎分散，阻止氣泡的聚并，使氣液比表面積增加，促進傳質(zhì)。

結(jié)束語

在本文實驗條件下，對于自吸式機械攪拌三相淤漿反應(yīng)器，液相容積傳質(zhì)系數(shù)隨著表觀氣速、攪拌轉(zhuǎn)速以及固體濃度的增加而增加，隨著液體黏度的增加而減小，相同條件下，不同固體顆粒體系的液相容積傳質(zhì)系數(shù)不同，液相容積傳質(zhì)系數(shù)隨固體顆粒粒徑的減小而增加；隨固體顆粒密度的增加而減小。

參考文獻

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