5.2.3大型冷模试验研究的基本内容 大型冷模试验一般研究流体在与真实容器相同或近似的容器中的流体力学行为及相应的物 质传递行为。 (1)固定床反应器大型冷模试验研究 固定床反应器中一般填充了不同形状的固体催化剂，使得流体在其中的流动比在空管内的 流动情况复杂。流体在床层中的孔道内流动时，经常碰撞前面的颗粒，加上孔道截面的不均匀， 时而扩大，时而缩小，以致流体做轴向流动时，往往在颗粒间产生再分布，流体的旋涡运动不 如在空管中那么自由。由于孔道特性的改变以及流体的再分布，旋涡运动的范围要受到流动空 间的限制，即取决于孔道的形状及大小。在固定床内流动的流体旋涡的数目比其在与床层直径 相等的空管中流动要多得多。 在空管中流体的流动状态由滞流转入湍流时是突然改变的，转折非常明显。在固定床中流 体的流动状态由滞流转入湍流是一个逐渐过渡的过程，这是由于各孔道的截面积不相同，在相 同的体积流率下，某一部分孔道内流体处于滞流状态，而另一部分孔道内流体则已转入湍流状 态。固定床层中流体的径向流速分布。流体在固定床中作等温流动，而其中不发生化学反应 时，其径向流速分布呈曲线分布，床层中心处的流速最小，其值低于平均流速，随着径向距离 的增加，流速逐渐增大，在离器壁的距离为1~2倍颗粒直径处，流速达到最大值。显然，这 个现象是由于床层空隙率随径向位置变化所至。如果固定床与外界换热，床层是非等温的，存 在着径向温度分布，则床层中径向流速分布的变化比等温时还要大。b单相流体通过固定床的 压力降。单相流体通过固定床时要产生压力损失，主要来自两方面：一方面是由于颗粒的粘滞 曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦：另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收 缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。在低流速时，压力降主要是由于表面摩擦 产生的，在高流速及薄床层中流动时，扩大、收缩则起着主要作用。如果容器直径与颗粒直径 之比较小，还应考虑壁效应对压力降的影响。℃固定床中流体与颗粒外表面间的传质系数。大 多数情况下，气一固相催化反应及流一固相非催化反应都在固体颗粒的内部及外表面上进行。 这时，流体中的反应组分必须从流体主体扩散到颗粒的外表面，若反应产物为流体，则必须从 颗粒的外表面扩散到流体主体。这种扩散过程的阻力决定于颗粒外表面的流体滞流流膜。 (2)流化床反应器大型冷模试验研究 流化床反应器由于催化剂受气流作用在床层中上下翻滚作剧烈的运动，所以床层内温度均 匀，并且床层与换热元件间的给热系数远大于固定床，可以使用小颗粒催化剂，反应热能及时 移走，床层温度能够控制在较小的范围内，可避免超温后加剧副反应，并提高催化剂的效率因 子，能适应具有反应热大而反应温度范围狭窄的反应，因而应用广泛。 流化床反应器中大型冷模试验研究的内容为：气（流）体的分布分布器的结构：其分布均 匀性和操作稳定性：气体通过分布器的形态：出分布器时的气体射流：初始气泡的行为以及分 布扳影响区等：b颗粒的流动特性颗粒的尺寸、形状、密度以及粒度分布对颗粒流化性能的影 响：颗粒层的粘度、含气能力：颗粒的磨损等：℃特征流速起始流化速度、起始鼓泡速度、起 始湍流气速、起始转相流化气速及终端速度等：d床层的膨胀与压降均匀流化床的膨胀，聚式 流化床的膨胀，床层压降与流速的关系等：©气泡的行为和影响气泡的结构、尺寸和上升速度： 气泡的聚并和破裂：床层气含率：气泡与周围介质间的传递现象等。f乳相的行为和影响乳相 中气体和颗粒的运动情况：颗粒的横向混合及逗留时间分布：颗粒的离析分层和团聚等；g流 态化的质量传递气泡与乳相间的质量传递：乳相中气体与颗粒间的质量传递：湍流床及快速 床中的质量传递：密相输送及稀相输送中的质量传递等：h内部构件的影响垂直管、水平管、 横向挡板对气泡及乳相的运动、床内的返混和质量程度的影响等。ⅰ颗粒的夹带和分离颗粒的 扬析与夹带：夹带分离高度：自由空间中气、固运动和质量传递：旋风分离器及其他气一固分 离装置：颗粒的输送在垂直管、水平管、斜管、弯管及装置中的密相及稀相输送：输送压降 及输送系统的稳定性等。 (3)气一液一固三相反应器
5.2.3 大型冷模试验研究的基本内容 大型冷模试验一般研究流体在与真实容器相同或近似的容器中的流体力学行为及相应的物 质传递行为。 （1）固定床反应器大型冷模试验研究 固定床反应器中一般填充了不同形状的固体催化剂，使得流体在其中的流动比在空管内的 流动情况复杂。流体在床层中的孔道内流动时，经常碰撞前面的颗粒，加上孔道截面的不均匀， 时而扩大，时而缩小，以致流体做轴向流动时，往往在颗粒间产生再分布，流体的旋涡运动不 如在空管中那么自由。由于孔道特性的改变以及流体的再分布，旋涡运动的范围要受到流动空 间的限制，即取决于孔道的形状及大小。在固定床内流动的流体旋涡的数目比其在与床层直径 相等的空管中流动要多得多。 在空管中流体的流动状态由滞流转入湍流时是突然改变的，转折非常明显。在固定床中流 体的流动状态由滞流转入湍流是一个逐渐过渡的过程，这是由于各孔道的截面积不相同，在相 同的体积流率下，某一部分孔道内流体处于滞流状态，而另一部分孔道内流体则已转入湍流状 态。a 固定床层中流体的径向流速分布。流体在固定床中作等温流动，而其中不发生化学反应 时，其径向流速分布呈曲线分布，床层中心处的流速最小，其值低于平均流速，随着径向距离 的增加，流速逐渐增大，在离器壁的距离为 1～2 倍颗粒直径处，流速达到最大值。显然，这 个现象是由于床层空隙率随径向位置变化所至。如果固定床与外界换热，床层是非等温的，存 在着径向温度分布，则床层中径向流速分布的变化比等温时还要大。b 单相流体通过固定床的 压力降。单相流体通过固定床时要产生压力损失，主要来自两方面：一方面是由于颗粒的粘滞 曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；另一方面是由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收 缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。在低流速时，压力降主要是由于表面摩擦 产生的，在高流速及薄床层中流动时，扩大、收缩则起着主要作用。如果容器直径与颗粒直径 之比较小，还应考虑壁效应对压力降的影响。c 固定床中流体与颗粒外表面间的传质系数。大 多数情况下，气－固相催化反应及流－固相非催化反应都在固体颗粒的内部及外表面上进行。 这时，流体中的反应组分必须从流体主体扩散到颗粒的外表面，若反应产物为流体，则必须从 颗粒的外表面扩散到流体主体。这种扩散过程的阻力决定于颗粒外表面的流体滞流流膜。 （2） 流化床反应器大型冷模试验研究 流化床反应器由于催化剂受气流作用在床层中上下翻滚作剧烈的运动，所以床层内温度均 匀，并且床层与换热元件间的给热系数远大于固定床，可以使用小颗粒催化剂，反应热能及时 移走，床层温度能够控制在较小的范围内，可避免超温后加剧副反应，并提高催化剂的效率因 子，能适应具有反应热大而反应温度范围狭窄的反应，因而应用广泛。 流化床反应器中大型冷模试验研究的内容为：a 气(流)体的分布 分布器的结构；其分布均 匀性和操作稳定性；气体通过分布器的形态；出分布器时的气体射流；初始气泡的行为以及分 布扳影响区等；b 颗粒的流动特性 颗粒的尺寸、形状、密度以及粒度分布对颗粒流化性能的影 响；颗粒层的粘度、含气能力；颗粒的磨损等；c 特征流速 起始流化速度、起始鼓泡速度、起 始湍流气速、起始转相流化气速及终端速度等；d 床层的膨胀与压降 均匀流化床的膨胀，聚式 流化床的膨胀，床层压降与流速的关系等；e 气泡的行为和影响 气泡的结构、尺寸和上升速度； 气泡的聚并和破裂；床层气含率；气泡与周围介质间的传递现象等。f 乳相的行为和影响 乳相 中气体和颗粒的运动情况；颗粒的横向混合及逗留时间分布；颗粒的离析分层和团聚等；g 流 态化的质量传递 气泡与乳相间的质量传递；乳相中气体与颗粒间的质量传递；湍流床及快速 床中的质量传递；密相输送及稀相输送中的质量传递等；h 内部构件的影响 垂直管、水平管、 横向挡板对气泡及乳相的运动、床内的返混和质量程度的影响等。i 颗粒的夹带和分离 颗粒的 扬析与夹带；夹带分离高度；自由空间中气、固运动和质量传递；旋风分离器及其他气－固分 离装置；j 颗粒的输送 在垂直管、水平管、斜管、弯管及装置中的密相及稀相输送；输送压降 及输送系统的稳定性等。 （3） 气－液－固三相反应器
气一液一固三相反应器具有巨大的现实及潜在的应用价值。一方面，在化工及生物生产 过程中，经常遇到有气相、液相和固相参与的三相反应，例如，石油加工中的加氢反应和煤化 工中的煤的加氢催化液化反应均为使用固相催化剂的三相催化反应，许多矿石的湿法加工过程 中固相为矿石的三相反应，发酵及抗菌素生产过程使用的三相反应器、另一方面，一些传统的 气一固相催化反应过程如甲醇合成、二甲醚合成等，在气一液一固三相反应器中，由于有液相 作为热载体和对固体催化剂的悬浮作用，使反应和传递性能有很大的改进。三相床反应器具有 良好的传热性能，因而床内传热设备紧凑，可提高反应器的利用率：极易控制温度，使整个床 层在适宜的温度下等温操作，不会出现局部过热或整体过热，不会对催化剂和设备造成危害： 使用细颗粒催化剂，消除了催化剂内扩散过程对宏观反应速率的影响，提高了反应物的单程转 化率：催化剂处于悬浮状态，因而其更换方便，可在不停车的情况下完成。 由于气-液-固三相物料在过程中的流动状态不同，气一液一固三相反应器主要有涓流床反 应器、机械搅拌釜式反应器、鼓泡淤浆床反应器、三相流化床反应器与三相携带床反应器五种。 鼓泡淤浆床反应适宜于大规模生产，是三相催化反应器中使用最广泛的形式。 一般来说，三相鼓泡淤浆床反应器大型冷模试验主要包括三个方面：气液接触状态、固 体悬浮状态、床层压降损失。所有反映反应器流体力学的指标均围绕于这三个方面。 气含率、气泡直径、气液接触比表面积是反映气液接触状态的重要指标，其中后者是由 前两者决定的。它们直接影响相际间传质速率和化学反应宏观速率。在计算相际传质系数、催 化剂用量、液体用量时均离不开这些参数。关于气含率、气泡直径的研究，主要是考察操作条 件、物系特性、反应器结构尺寸对它们的影响规律。 固体能否完全悬浮及在液体中分布均匀，是确定操作条件的重要基础，也是衡量反应器 内部空间有效利用率的指标。它主要包含两个重要指标：一是固体完全悬浮的临界表观气速： 二是临界固含率。操作气速必须大于临界气速，才能正常操作：淤浆中固体含量必须小于临界 固含率。此外，固体浓度沿轴向床高分布、颗粒沉降速率也是反映固体悬浮状态的重要指标。 此外，反应器的内构件如气体分布器、换热元件等的结构、尺寸对流体力学性质的影响， 对其性能考核也在三相淤浆床反应器流体力学研究的范围内。 三相鼓泡淤浆床反应器流体力学性质十分复杂，目前还没能够将不同结构的反应器的流体 规律用统一的表达式进行描述。因此，开发一种三相鼓泡淤浆床反应器之前进行流体力学研究， 是十分必要的。 对于三相鼓泡淤浆床反应器流体力学研究，一般采用冷态模拟装置进行研究结果可供相同 体系同类型反应器参考。实验装置的结构与实际反应器相同或接近，内部构件相同或相似，实 验的研究物系与实际物系相同或接近。 研究对象的选择十分重要，液相介质的物化性质包括密度、粘度、表面张力与实际工况下 的液相接近。在实际中，很难找到各方面都十分接近的液体替代品，因此，一般选择几种液体， 实际工况下所采用液体的物性指标均在所选的替代液体的物性范围之内或偏差不大。气相的物 性对三相淤浆床反应器流体力学性质的影响较小，因此，一般情况下，常选择空气、C02、N2 等常见气体作为替代气体。对固体的选择与液体的选择类似，最好在研究工况下采用实际固体 作为研究对象。 冷态模拟实验方法较为简单，投资少，而且在发现问题时，改进方便，因此该方法应用十 分广泛
气－液－固三相反应器具有巨大的现实及潜在的应用价值。一方面，在化工及生物生产 过程中，经常遇到有气相、液相和固相参与的三相反应，例如，石油加工中的加氢反应和煤化 工中的煤的加氢催化液化反应均为使用固相催化剂的三相催化反应，许多矿石的湿法加工过程 中固相为矿石的三相反应，发酵及抗菌素生产过程使用的三相反应器、另一方面，一些传统的 气－固相催化反应过程如甲醇合成、二甲醚合成等，在气－液－固三相反应器中，由于有液相 作为热载体和对固体催化剂的悬浮作用，使反应和传递性能有很大的改进。三相床反应器具有 良好的传热性能，因而床内传热设备紧凑，可提高反应器的利用率；极易控制温度，使整个床 层在适宜的温度下等温操作，不会出现局部过热或整体过热，不会对催化剂和设备造成危害； 使用细颗粒催化剂，消除了催化剂内扩散过程对宏观反应速率的影响，提高了反应物的单程转 化率；催化剂处于悬浮状态，因而其更换方便，可在不停车的情况下完成。 由于气-液-固三相物料在过程中的流动状态不同，气－液－固三相反应器主要有涓流床反 应器、机械搅拌釜式反应器、鼓泡淤浆床反应器、三相流化床反应器与三相携带床反应器五种。 鼓泡淤浆床反应适宜于大规模生产，是三相催化反应器中使用最广泛的形式。 一般来说，三相鼓泡淤浆床反应器大型冷模试验主要包括三个方面：气液接触状态、固 体悬浮状态、床层压降损失。所有反映反应器流体力学的指标均围绕于这三个方面。 气含率、气泡直径、气液接触比表面积是反映气液接触状态的重要指标，其中后者是由 前两者决定的。它们直接影响相际间传质速率和化学反应宏观速率。在计算相际传质系数、催 化剂用量、液体用量时均离不开这些参数。关于气含率、气泡直径的研究，主要是考察操作条 件、物系特性、反应器结构尺寸对它们的影响规律。 固体能否完全悬浮及在液体中分布均匀，是确定操作条件的重要基础，也是衡量反应器 内部空间有效利用率的指标。它主要包含两个重要指标：一是固体完全悬浮的临界表观气速； 二是临界固含率。操作气速必须大于临界气速，才能正常操作；淤浆中固体含量必须小于临界 固含率。此外，固体浓度沿轴向床高分布、颗粒沉降速率也是反映固体悬浮状态的重要指标。 此外，反应器的内构件如气体分布器、换热元件等的结构、尺寸对流体力学性质的影响， 对其性能考核也在三相淤浆床反应器流体力学研究的范围内。 三相鼓泡淤浆床反应器流体力学性质十分复杂，目前还没能够将不同结构的反应器的流体 规律用统一的表达式进行描述。因此，开发一种三相鼓泡淤浆床反应器之前进行流体力学研究， 是十分必要的。 对于三相鼓泡淤浆床反应器流体力学研究，一般采用冷态模拟装置进行研究结果可供相同 体系同类型反应器参考。实验装置的结构与实际反应器相同或接近，内部构件相同或相似，实 验的研究物系与实际物系相同或接近。 研究对象的选择十分重要，液相介质的物化性质包括密度、粘度、表面张力与实际工况下 的液相接近。在实际中，很难找到各方面都十分接近的液体替代品，因此，一般选择几种液体， 实际工况下所采用液体的物性指标均在所选的替代液体的物性范围之内或偏差不大。气相的物 性对三相淤浆床反应器流体力学性质的影响较小，因此，一般情况下，常选择空气、CO2、N2 等常见气体作为替代气体。对固体的选择与液体的选择类似，最好在研究工况下采用实际固体 作为研究对象。 冷态模拟实验方法较为简单，投资少，而且在发现问题时，改进方便，因此该方法应用十 分广泛