三相气升式环流反应器研究范文

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《化学工业与工程技术杂志》2014年第二期

1实验部分

1.1实验装置实验采用的中心气升式内环流反应器(材料为有机玻璃)内径0.09m，高2m;导流筒(材料为PVC)内径0.06m，壁厚0.0023m，高1.55m;空气分布器为圆柱形有机玻璃分布器，分布器开孔的直径0.5mm，共18个。实验流程见图1。

1.2实验条件常温常压下，将瓷球(dp为4.4mm，5.9mm，ρp=2268.3kg/m3)、硅铝球(dp=2.6mm，ρp=3266kg/m3)、石英砂(dp=0.25mm，ρp=2650kg/m3)分别与空气、水组成三相物系。实验起始静液高1.6m，底部间隙22mm，导流筒内表观气速为0.021~实验的三相物系:物系Ⅰ———瓷球－空气－水，物系Ⅱ———硅铝球－空气－水，物系Ⅲ———石英砂－空气－水。

1.3实验原理

1.3.1气含率和固含率的测量在气－液－固三相物系中，将U型压差法与直接取样法结合，测量液固两相的相对固含率(ε''''s)，即平均波幅δ，即相含率的相对偏差，定量描述相含率分布的均匀程度。δ越小，相含率轴向分布越趋于均匀。本文设定当δ≤5%时，相含率轴向分布可视为均匀。

1.3.2循环液速的测量采用电导法测量循环液速，根据连续性方程得

2结果与讨论

2.1上升区固含率随轴向高度增加的变化规律对于物系Ⅰ，表观气速4.456cm/s，不同固体装载率、不同颗粒粒径时，上升区固含率轴向分布规律见图2。由图2可见:对于物系Ⅰ，固定表观气速、不同固体装载率、不同颗粒粒径时，上升区固含率随轴向高度的增加呈先增加后减小的趋势，中间存在极值;固含率极大值的轴向高度随固体装载率的增加而升高。因为分布器区(H≤30cm)内较高的系统能量使颗粒上升到轴向位置较高处，固含率沿轴向增大。随着轴向高度的增加，液相流通横截面积增大，液体线速度减小，当循环液速小于颗粒的沉降速度时，瓷球开始沉降，固含率沿轴向减小。随着固体装载率的增加，流体流动阻力增大，循环液速降低，颗粒不易上升而分布在轴向位置较低处的机率增加，导致固含率极大值所在的轴向高度增加。对于物系Ⅱ、物系Ⅲ，表观气速2.492cm/s，不同固体装载率(φ，%，下同)下，上升区固含率轴向分布规律见图3。由图3可见:不同固体装载率时，物系Ⅱ中上升区固含率随轴向高度的增加而减小;物系Ⅲ中上升区固含率分布均匀(δsr≤5%)。因为只有当固体颗粒的沉降速度小于循环液速时颗粒才循环运动，否则沉降。Cova提出以单颗粒在静止液体中颗粒沉降速度作为颗粒的沉降速度，本实验中硅铝球与石砂的自由沉降速度之比为412，所以固定表观气速，物系Ⅱ不能提供足够能量维持颗粒环流运动，使固含率沿轴向减小;而物系Ⅲ中颗粒均匀分布。相同轴向高度下，物系Ⅲ中上升区固含率较低。因为石英砂沉降速度较低，更多颗粒被携带到环隙内，导致上升区固含率不高。

2.2上升区气含率随轴向高度增加的变化规律对于物系Ⅰ，表观气速4.456cm/s，不同固体装载率、不同颗粒粒径时，上升区气含率轴向分布规律见图4。由图4可见:不同固体装载率、不同颗粒粒径时，物系Ⅰ中上升区气含率随轴向高度的增加而增大。因为轴向位置较低处的固含率较高，气相所占体积较小;但压力随着轴向高度的增加而降低，气泡体积逐渐增大，使气含率沿轴向增大。相同固体装载率时，各轴向位置处的气含率随颗粒粒径的增大而增大，与细颗粒系统结论相同。因为大颗粒对气泡有破碎作用，并且颗粒粒径越大，在导流筒下部分布越多，流动阻力较大，气泡运动速度降低，使气含率增加。相同颗粒粒径时，各轴向位置处的上升区气含率随固体装载率的增加而增大，此结论与文献［8］相反。因为若颗粒粒径为几微米，颗粒增加主要导致流体混合黏度增大，气泡聚并显著，大气泡数量增多，气含率降低;若粒径为几毫米颗粒，颗粒增多主要表现为固体比表面积增大，流体流动阻力增加，循环液速和气泡运动速度都降低，气含率增加。对于物系Ⅱ、物系Ⅲ，表观气速2.492cm/s，不同固体装载率下，上升区气含率轴向分布规律见图5。由图5可见:对于物系Ⅱ，不同固体装载率时，上升区气含率随轴向高度的增加而减小。因为随轴向高度的增加，固含率减小，流体流动阻力降低，气泡运动速度逐渐加快，使气含率沿轴向减小。对于物系Ⅲ，当轴向高度H≤75cm时，上升区气含率随轴向高度的增加而增大;轴向高度H＞75cm时，上升区气含率减小。因为分布器区内气泡具有较高初速度，气含率沿轴向增大，但达到一定高度后，均匀分布的石英砂粒径较小，固体比表面积较大，流体流动阻力较高，气泡运动速度开始降低，气含率沿轴向减小。与物系Ⅰ一致，物系Ⅱ与物系Ⅲ中各轴向位置处的上升区气含率随固体装载率的增加而增大。由图5还可见:物系Ⅱ中气含率分布随固体装载率的增大而趋于不均匀，而物系Ⅲ却相反。因为低气速时，气含率受颗粒影响显著。物系Ⅱ中固含率轴向分布随固体装载率的增加而趋于不均匀，气含率随之变化;物系Ⅲ中固含率均匀分布，随着颗粒增加，流体物性变化趋缓，使气含率降幅减小。

2．3各物系中上升区循环液速受表观气速的影响当固体装载率为1%时，在物系Ⅰ(dp=4.4mm)、物系Ⅱ和物系Ⅲ中，上升区循环液速受表观气速影响的变化规律见图6。图6各物系中表观气速对上升区循环液速的影响由图6可见:各物系中上升区循环液速随着表观气速的增大而增大。因为基于气升式环流反应器的工作原理，增大表观气速使导流筒内外密度差增大，循环液速随着驱动力的增加而增大，这与文献［10］的结论吻合。由图6还可见:固定表观气速，相同固体装载率下，各物系中上升区循环液速不同，即物系Ⅱ最高，物系Ⅰ次之，物系Ⅲ最低。因为表观气速为2.492cm/s时，由实验数据得三物系中颗粒雷诺数Rep分别为2010，5238，176。Rep越高，说明物系湍流程度越剧烈，循环液速受表观气速的影响越显著且增幅越高，这也表明物系越易受表观气速的控制。

3结论

1)大颗粒物系中固定表观气速，随轴向高度的增加，瓷球物系中上升区固含率εsr先增大后减小，上升区气含率εgr增大;硅铝球物系中εsr与εgr均减小。2)细颗粒的石英砂物系中固定表观气速，上升区固含率εsr与轴向高度无关，分布均匀;上升区气含率εgr先增大后减小。3)固定表观气速，各轴向位置处的气含率随固体装载率和颗粒粒径的增大而增大。4)相同固体装载率时，各物系中上升区循环液速随表观气速的增加而增大。

作者：赵楠稽从杰刘永民单位：辽宁石油化工大学石油化工学院