旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器的局部氣、固含率研究*

王 爽，馬嘉楠，劉永民**，趙德智

(1．遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部，遼寧 撫順 113001；2．中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

隨著不可再生資源——石油的日趨枯竭，能源緊張將是今后一直面臨的主要問題，開發(fā)油品精煉新技術(shù)、新設(shè)備，使利用率不高的重油、渣油高效轉(zhuǎn)化成輕油，將是目前及今后很長時間的主要工作，現(xiàn)有的重油、渣油加氫工藝仍處研發(fā)階段，所采用的關(guān)鍵裂化設(shè)備多為沸騰床、懸浮床、和氣升式環(huán)流反應(yīng)器[1-3]，由于重油渣油組成復(fù)雜、反應(yīng)產(chǎn)物多樣、反應(yīng)條件苛刻，普通的沸騰床、懸浮床、環(huán)流反應(yīng)器很難滿足工藝要求，開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器及內(nèi)構(gòu)件以適應(yīng)工藝要求，仍是實現(xiàn)工業(yè)化的重要工作方向。

氣升式環(huán)流反應(yīng)器(ALR)是在鼓泡床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類氣液、氣液固多相反應(yīng)器，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、無機械傳動部件、易密封、容易實現(xiàn)工業(yè)放大等優(yōu)點，近年來在濕法冶金、廢水生物處理、生物細胞培養(yǎng)發(fā)酵、煤化工、重油(渣油)加氫等工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。該反應(yīng)器的關(guān)鍵部件是其內(nèi)設(shè)的導(dǎo)流管，其決定著反應(yīng)器內(nèi)液體循環(huán)速度、各相所占體積分數(shù)及混合傳質(zhì)效率等，普通的光滑導(dǎo)流管使反應(yīng)器內(nèi)氣體上升速度較快，停留時間較短，為此提出了新型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流部件，在其外壁上黏接多組近似扇形翅片，翅片與軸向成一定角度，該導(dǎo)流部件稱之為旋流導(dǎo)流筒，由于旋流片能使氣液(固)混合物繞導(dǎo)流管旋轉(zhuǎn)上升，相應(yīng)的環(huán)流反應(yīng)器稱之為旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(Helical-flow Airlift Loop Reactor，簡稱為HALR)。

目前，對氣液固三相物系A(chǔ)LR中氣含率和固含率的研究還是比較少，尤其是局部相含率研究更少[5-6]，局部氣含率、固含率決定了氣升式環(huán)流反應(yīng)器的流動性能與傳質(zhì)性能的優(yōu)劣，對于環(huán)流反應(yīng)器放大設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義[5]。因此以空氣-水-K樹脂為三相物系，研究HALR中局部氣、固含率隨表觀氣速、底部間隙、固體裝載量及軸向高度的變化規(guī)律，為HALR的工業(yè)應(yīng)用及進一步理論研究提供技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實驗流程

旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(HALR)的結(jié)構(gòu)與實驗流程圖見圖1。

a 實驗流程圖

b 旋流導(dǎo)流筒局部實物圖(比例1∶8)圖1 旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(HALR)的結(jié)構(gòu)與實驗流程圖

開發(fā)的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器的主體由有機玻璃制成，總高為2 m；反應(yīng)器內(nèi)徑為0.075 m，旋流導(dǎo)流筒(材料為PVC)由導(dǎo)流管(內(nèi)徑0.03 m，壁厚0.001 m，高1.5 m)和粘在上面的10組旋流片構(gòu)成，旋流片與軸向成45°角，共有20個旋流片。

圖1 a實驗流程圖中，氣體由壓縮機和轉(zhuǎn)子流量計經(jīng)由2個在底部成180°角的2個氣體分布器進入反應(yīng)器的環(huán)隙區(qū)——上升區(qū)，上升區(qū)內(nèi)的液體在氣體提升并在旋流片制約下繞導(dǎo)流管螺旋旋轉(zhuǎn)上升，具體流動描述如下(見圖1b)。從一個分布器出來的氣泡在環(huán)隙區(qū)上升遇到旋流片a下端，從此片的下面以斜向上45°角的方向上升，氣泡離開a片后再垂直上升遇到旋流片b，在b片下方以同樣的方式做斜向上運動，這樣依次經(jīng)過旋流片c、d、e,形成繞導(dǎo)流筒旋轉(zhuǎn)上升的運動；氣體在上部離開反應(yīng)器，從另一個分布器出來的氣泡以同樣的旋轉(zhuǎn)方向依次經(jīng)過a’、b’、…、e’，繞導(dǎo)流筒旋轉(zhuǎn)上升，液體經(jīng)導(dǎo)流管內(nèi)下降，形成循環(huán)流動，所以將此反應(yīng)器命名為旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(HALR)。

1.2 實驗條件

常溫常壓下，空氣-水為二相物系，空氣-水-K樹脂為三相物系，表觀氣速為0.46～1.85 cm/s：K樹脂顆粒密度為1.031 6 g/cm3，顆粒當量直徑為2.5 mm，實驗前預(yù)先用實驗液體浸泡一定時間，旋流導(dǎo)流筒底邊與反應(yīng)器底板距離(簡稱為底部間隙)分別為12、18、24 mm。

1.3 實驗原理

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為密度，其下標c為壓差計中指示液(四氯化碳)；L為實驗液體(水)；S為固體(K樹脂)。

2 結(jié)果與討論

2.1 上升區(qū)局部氣含率

2.1.1 表觀氣速對上升區(qū)局部氣含率的影響

對于空氣-水物系和空氣-水-K樹脂三相物系，在底部間隙為18 mm，上升區(qū)軸向高度為79.7 cm處，研究了不同φ(固體裝填物)下，上升區(qū)局部氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，隨著表觀氣速的增大，上升區(qū)氣含率明顯增大，這與前期研究結(jié)果是相同的[7]；因為隨著表觀氣速增加，氣泡濃度也增加，因此氣含率隨表觀氣速的增加而增加。在同一表觀氣速時，隨φ(固體裝填物)的增加，氣含率逐漸減小；這是由于在同一軸向位置處，在均勻鼓泡流區(qū)域，隨著φ(固體裝載物)的增加，氣體流通面積減小，因此氣含率下降；當表觀氣速超過1.8 cm/s時,φ(裝填物)對氣含率的影響發(fā)生變化，三相物系的氣含率均高于兩相物系的氣含率，此時，氣速較高，流型已達到非均勻鼓泡流，大氣泡不斷生成，在有固體顆粒存在時，固體顆粒能破碎大氣泡，從而使三相物系氣含率高于兩相物系的氣含率。

Ug/(cm·s-1)圖2 不同φ(固體裝填物)下表觀氣速(Ug)對上升區(qū)局部氣含率的影響

2.1.2 軸向高度以及底部間隙對上升區(qū)氣含率影響

在上升區(qū)表觀氣速固定為0.77 cm/s,φ(固體裝填物)=2%，且不同底部間隙下，上升區(qū)軸向高度對氣含率的影響規(guī)律見圖3。

h/cm圖3 不同底部間隙(M)下，軸向高度(h)對局部氣含率的影響

由圖3 可見，在軸向高度低于105 cm時，隨著軸向高度的增大，對于12和24 mm的底部間隙，局部氣含率變化不大；而對于18 mm的底部間隙，氣含率略微下降，但下降的幅度較小(3%～4%)；這是由于在軸向高度超過105 cm后氣含率明顯增加，在較高軸向位置處，氣泡大，上升速度快，易于被翅片破碎成小氣泡，使氣含率增加。

在相同的軸向高度下，隨著底部間隙的增大，氣含率減小。這是由于底部間隙增加，混合物流動阻力減小，氣泡滯留時間減小，使氣含率有所下降。

2.2 上升區(qū)固含率

2.2.1 上升區(qū)軸向高度的影響

在底部間隙為18 mm,φ(固體裝填物)=2%時，在不同表觀氣速下，不同軸向位置對上升區(qū)固含率的影響見圖4。

h/cm圖4 不同表觀氣體流速(Ug)時,軸向高度(h)對上升區(qū)固含率的影響

由圖4觀察發(fā)現(xiàn)，在同一表觀氣速下，在軸向高度小于80 cm時，上升區(qū)固含率隨著軸向高度的增大而減小；在軸向高度大于80 cm時，上升區(qū)固含率隨著軸向高度的增大基本保持不變。這是由于在軸向高度低于80 cm時，氣泡尺寸較小，氣泡上升速度較小，加之旋流片會對氣泡主要產(chǎn)生聚并作用，顆粒主要受本身重力、液體曳力及液體阻力的作用，因此，高度增加重力沉降作用強，固含率下降；當高度大于80 cm后，旋流片對氣泡主要產(chǎn)生破碎作用，氣泡濃度變大，氣泡占環(huán)隙區(qū)面積增加，固體顆粒除受上述3種力外，又多了氣泡的曳力作用，氣泡越多，氣體對固體的黏性作用越強，平衡了重力沉降作用，因此，上升區(qū)固含率隨著軸向高度的增大而變化不大。

在軸向位置較低處(h<60 cm)，固含率隨氣速的增加而略微降低；這是由于在軸向位置較低處，顆粒重力沉積起主要作用；位置較高處(h>60 cm)，高氣速范圍(1.0～1.69 cm/s)時，旋流片對氣泡破碎作用增強，氣體含量隨氣速增加而增大，氣液固混合物總體體積增加，使固含率略微減小。

2.2.2 φ(固體裝填物)對上升區(qū)固含率的影響

在軸向高度為57.8 cm,底部間隙18 mm，不同φ(固體裝填物)下表觀氣速對固含率的影響見圖5。

由圖5可見，φ(固體裝填物)一定時，固含率隨表觀氣速的增加而逐漸減小，但減小的幅度比較小，在裝載量較大時減小的幅度較大。這是由于表觀氣速較低時，旋流片對氣泡主要起聚并作用，使氣含率較小，從而導(dǎo)致固含率較高，隨著表觀氣速的增大，旋流片對氣泡主要起破碎作用，使氣含率增加，混合物總體積有所增大，進而導(dǎo)致固含率下降。

Ug/(cm·s-1)圖5 不同φ(固體裝填物)下氣體流速(Ug)對固含率的影響

3 結(jié) 論

(1) 提出了新型結(jié)構(gòu)的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(HALR)；

(2) 對于HALR，隨著表觀氣速的增大，上升區(qū)氣含率均增大；

(3) 在同一軸向位置處，在均勻鼓泡流區(qū)域，隨著固體裝載量的增加，氣含率下降；在非均勻鼓泡流時,兩相物系的氣含率低于三相物系的氣含率；

(4) 在低于導(dǎo)流管高度的2/3以下，表觀氣速一定時，隨著軸向高度的增大，上升區(qū)局部氣含率變化不大，基本維持不變；

(5) 在相同的軸向高度下，上升區(qū)氣含率隨著底部間隙的增大而減??；

(6) 在同一表觀氣速下，在軸向高度低于導(dǎo)流管高度的1/2以下時，上升區(qū)固含率隨著軸向高度的增大而減?。辉谳S向高度位于導(dǎo)流管高度的1/2以上區(qū)域，上升區(qū)固含率隨著軸向高度的增大基本保持不變。軸向高度一定時，上升區(qū)固含率隨表觀氣速的增加而下降。

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