三相氣升式環流反應器研究范文

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《化學工業與工程技術雜志》2014年第二期

1實驗部分

1.1實驗裝置實驗采用的中心氣升式內環流反應器(材料為有機玻璃)內徑0.09m，高2m;導流筒(材料為PVC)內徑0.06m，壁厚0.0023m，高1.55m;空氣分布器為圓柱形有機玻璃分布器，分布器開孔的直徑0.5mm，共18個。實驗流程見圖1。

1.2實驗條件常溫常壓下，將瓷球(dp為4.4mm，5.9mm，ρp=2268.3kg/m3)、硅鋁球(dp=2.6mm，ρp=3266kg/m3)、石英砂(dp=0.25mm，ρp=2650kg/m3)分別與空氣、水組成三相物系。實驗起始靜液高1.6m，底部間隙22mm，導流筒內表觀氣速為0.021~實驗的三相物系:物系Ⅰ———瓷球－空氣－水，物系Ⅱ———硅鋁球－空氣－水，物系Ⅲ———石英砂－空氣－水。

1.3實驗原理

1.3.1氣含率和固含率的測量在氣－液－固三相物系中，將U型壓差法與直接取樣法結合，測量液固兩相的相對固含率(ε''''s)，即平均波幅δ，即相含率的相對偏差，定量描述相含率分布的均勻程度。δ越小，相含率軸向分布越趨于均勻。本文設定當δ≤5%時，相含率軸向分布可視為均勻。

1.3.2循環液速的測量采用電導法測量循環液速，根據連續性方程得

2結果與討論

2.1上升區固含率隨軸向高度增加的變化規律對于物系Ⅰ，表觀氣速4.456cm/s，不同固體裝載率、不同顆粒粒徑時，上升區固含率軸向分布規律見圖2。由圖2可見:對于物系Ⅰ，固定表觀氣速、不同固體裝載率、不同顆粒粒徑時，上升區固含率隨軸向高度的增加呈先增加后減小的趨勢，中間存在極值;固含率極大值的軸向高度隨固體裝載率的增加而升高。因為分布器區(H≤30cm)內較高的系統能量使顆粒上升到軸向位置較高處，固含率沿軸向增大。隨著軸向高度的增加，液相流通橫截面積增大，液體線速度減小，當循環液速小于顆粒的沉降速度時，瓷球開始沉降，固含率沿軸向減小。隨著固體裝載率的增加，流體流動阻力增大，循環液速降低，顆粒不易上升而分布在軸向位置較低處的機率增加，導致固含率極大值所在的軸向高度增加。對于物系Ⅱ、物系Ⅲ，表觀氣速2.492cm/s，不同固體裝載率(φ，%，下同)下，上升區固含率軸向分布規律見圖3。由圖3可見:不同固體裝載率時，物系Ⅱ中上升區固含率隨軸向高度的增加而減小;物系Ⅲ中上升區固含率分布均勻(δsr≤5%)。因為只有當固體顆粒的沉降速度小于循環液速時顆粒才循環運動，否則沉降。Cova提出以單顆粒在靜止液體中顆粒沉降速度作為顆粒的沉降速度，本實驗中硅鋁球與石砂的自由沉降速度之比為412，所以固定表觀氣速，物系Ⅱ不能提供足夠能量維持顆粒環流運動，使固含率沿軸向減小;而物系Ⅲ中顆粒均勻分布。相同軸向高度下，物系Ⅲ中上升區固含率較低。因為石英砂沉降速度較低，更多顆粒被攜帶到環隙內，導致上升區固含率不高。

2.2上升區氣含率隨軸向高度增加的變化規律對于物系Ⅰ，表觀氣速4.456cm/s，不同固體裝載率、不同顆粒粒徑時，上升區氣含率軸向分布規律見圖4。由圖4可見:不同固體裝載率、不同顆粒粒徑時，物系Ⅰ中上升區氣含率隨軸向高度的增加而增大。因為軸向位置較低處的固含率較高，氣相所占體積較小;但壓力隨著軸向高度的增加而降低，氣泡體積逐漸增大，使氣含率沿軸向增大。相同固體裝載率時，各軸向位置處的氣含率隨顆粒粒徑的增大而增大，與細顆粒系統結論相同。因為大顆粒對氣泡有破碎作用，并且顆粒粒徑越大，在導流筒下部分布越多，流動阻力較大，氣泡運動速度降低，使氣含率增加。相同顆粒粒徑時，各軸向位置處的上升區氣含率隨固體裝載率的增加而增大，此結論與文獻［8］相反。因為若顆粒粒徑為幾微米，顆粒增加主要導致流體混合黏度增大，氣泡聚并顯著，大氣泡數量增多，氣含率降低;若粒徑為幾毫米顆粒，顆粒增多主要表現為固體比表面積增大，流體流動阻力增加，循環液速和氣泡運動速度都降低，氣含率增加。對于物系Ⅱ、物系Ⅲ，表觀氣速2.492cm/s，不同固體裝載率下，上升區氣含率軸向分布規律見圖5。由圖5可見:對于物系Ⅱ，不同固體裝載率時，上升區氣含率隨軸向高度的增加而減小。因為隨軸向高度的增加，固含率減小，流體流動阻力降低，氣泡運動速度逐漸加快，使氣含率沿軸向減小。對于物系Ⅲ，當軸向高度H≤75cm時，上升區氣含率隨軸向高度的增加而增大;軸向高度H＞75cm時，上升區氣含率減小。因為分布器區內氣泡具有較高初速度，氣含率沿軸向增大，但達到一定高度后，均勻分布的石英砂粒徑較小，固體比表面積較大，流體流動阻力較高，氣泡運動速度開始降低，氣含率沿軸向減小。與物系Ⅰ一致，物系Ⅱ與物系Ⅲ中各軸向位置處的上升區氣含率隨固體裝載率的增加而增大。由圖5還可見:物系Ⅱ中氣含率分布隨固體裝載率的增大而趨于不均勻，而物系Ⅲ卻相反。因為低氣速時，氣含率受顆粒影響顯著。物系Ⅱ中固含率軸向分布隨固體裝載率的增加而趨于不均勻，氣含率隨之變化;物系Ⅲ中固含率均勻分布，隨著顆粒增加，流體物性變化趨緩，使氣含率降幅減小。

2．3各物系中上升區循環液速受表觀氣速的影響當固體裝載率為1%時，在物系Ⅰ(dp=4.4mm)、物系Ⅱ和物系Ⅲ中，上升區循環液速受表觀氣速影響的變化規律見圖6。圖6各物系中表觀氣速對上升區循環液速的影響由圖6可見:各物系中上升區循環液速隨著表觀氣速的增大而增大。因為基于氣升式環流反應器的工作原理，增大表觀氣速使導流筒內外密度差增大，循環液速隨著驅動力的增加而增大，這與文獻［10］的結論吻合。由圖6還可見:固定表觀氣速，相同固體裝載率下，各物系中上升區循環液速不同，即物系Ⅱ最高，物系Ⅰ次之，物系Ⅲ最低。因為表觀氣速為2.492cm/s時，由實驗數據得三物系中顆粒雷諾數Rep分別為2010，5238，176。Rep越高，說明物系湍流程度越劇烈，循環液速受表觀氣速的影響越顯著且增幅越高，這也表明物系越易受表觀氣速的控制。

3結論

1)大顆粒物系中固定表觀氣速，隨軸向高度的增加，瓷球物系中上升區固含率εsr先增大后減小，上升區氣含率εgr增大;硅鋁球物系中εsr與εgr均減小。2)細顆粒的石英砂物系中固定表觀氣速，上升區固含率εsr與軸向高度無關，分布均勻;上升區氣含率εgr先增大后減小。3)固定表觀氣速，各軸向位置處的氣含率隨固體裝載率和顆粒粒徑的增大而增大。4)相同固體裝載率時，各物系中上升區循環液速隨表觀氣速的增加而增大。

作者：趙楠稽從杰劉永民單位：遼寧石油化工大學石油化工學院