MALR中甲醇水溶液物系氣含率與循環(huán)液速研究*

吳曉鈺，彭四海,劉永民**

(1.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001；2.撫順石化公司 合成洗滌劑廠，遼寧 撫順 113004)

隨著石油資源的日趨枯竭，替代能源的開發(fā)應(yīng)用愈加迫切，應(yīng)用醇醚燃料替代石油燃料領(lǐng)域正迅猛發(fā)展，其中甲醇汽油的應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)甲醇也是重要的應(yīng)用廣泛的化工原料，近年甲醇產(chǎn)量大幅增長，而在甲醇的大規(guī)模生產(chǎn)和使用過程中，伴生出大量含甲醇的廢水，廢水具有水質(zhì)水量變化大、高氨氮、天然營養(yǎng)物較少等特點(diǎn)，對該類廢水的處理方法也比較多，但一般效果不理想且能耗高[1]，而采用組合工藝是較好的方法[2]，該工藝的關(guān)鍵設(shè)備是反應(yīng)器，提高反應(yīng)器內(nèi)的氣液接觸效率，降低壓降是提高廢水處理效果、降低能耗的重要研究方向。

環(huán)流反應(yīng)器(LR)因其內(nèi)部流體有規(guī)則地循環(huán)流動(dòng)且具有結(jié)構(gòu)簡單、耗能低并有高效的反應(yīng)物之間的混合、傳質(zhì)、傳熱性能，近年來已在化學(xué)工業(yè)、污水處理等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[3]。LR有單級(jí)與多級(jí)之分，多級(jí)LR有立式串聯(lián)和臥式串聯(lián)之分，多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器(MALR)屬于臥式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的可同時(shí)引入多路氣體、壓降低、傳質(zhì)效率高的特點(diǎn)[4-5]，對于污水量較大的甲醇類廢水，有必要開發(fā)MALR的工程應(yīng)用。

氣含率、循環(huán)液速是反映MALR流動(dòng)性能的重要參數(shù)，也是MALR放大設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，它與操作氣速、物系性質(zhì)等多種因素有關(guān)。迄今，還未見在MALR 中進(jìn)行甲醇水溶液處理的研究報(bào)道，為此研究了MALR中低濃度甲醇水溶液物系的氣含率和循環(huán)液速的變化規(guī)律，以便為該反應(yīng)器的工程放大及其在處理含醇類廢水的應(yīng)用中提供技術(shù)參考，拓展該反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

有機(jī)玻璃制成的MALR 的結(jié)構(gòu)由主管(D187 mm×5 mm×1 000 mm，見圖1)和上部擴(kuò)大段(D300 mm×5 mm×220 mm，見圖2)構(gòu)成，反應(yīng)器總高1.32 m，在主管內(nèi)有十字隔板(1個(gè)隔板高0.70 m，另1隔板高0.95 m)將反應(yīng)器主管分為4個(gè)室，1、3室為上升室，2、4室為下降室。在1、3室底部各安裝1個(gè)由高分子化合物聚合而成的微孔氣體分布器(圖1)，在3室中間安裝一個(gè)電導(dǎo)電極，4個(gè)室均連接有壓差計(jì)。

圖1 局部MALR主管結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)流程見圖2，空氣通過壓縮機(jī)加壓后，由微孔氣體分布器引入反應(yīng)器，在頂部離開反應(yīng)器；反應(yīng)器內(nèi)的液體由1室被氣體提升繞過隔板進(jìn)入4室，再由4室底部進(jìn)入3室，再由3室上升繞過隔板進(jìn)入2室，最后由2室底部回到1室，從而形成液體的循環(huán)流動(dòng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 氣含率與循環(huán)液速的測量

分別用水、體積分?jǐn)?shù)0.1%、0.5%甲醇水溶液作為液相，空氣作為氣相而構(gòu)成3個(gè)氣液物系。各室的平均氣含率采用壓差法測量[5]，指示液為四氯化碳。由微元管段動(dòng)量衡算并忽略流體加速項(xiàng)和流動(dòng)阻力得到氣含率計(jì)算式：

(1)

液體循環(huán)速度采用以飽和氯化鉀為示蹤劑的脈沖示蹤技術(shù)測定。

液體循環(huán)一周的時(shí)間如下。

(2)

根據(jù)液相連續(xù)性方程

(3)

式(2)和式(3)聯(lián)立得出3室液體線速度計(jì)算式如下。

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 氣含率

2.1.1 各室氣含率

在φ(甲醇) =0.1%，固定1室表觀氣速ug1=0.53 cm/s時(shí),MALR中4個(gè)室的氣含率與3室表觀氣速(ug3)的關(guān)系見圖3。

ug3/(cm·s-1)圖3 φ(甲醇)=0.1%、ug1=0.53 cm/s各室氣含率與ug3的關(guān)系

從圖3中可以看出，在ug3<3.55 cm/s時(shí)，此時(shí)上升室為均勻鼓泡流，隨ug3的增大，Eg3明顯增大；當(dāng)ug3>3.55 cm/s，3室內(nèi)呈過渡流時(shí)，隨ug3的增大，Eg3的值不再呈明顯增長的趨勢。這是由于ug3<3.55 cm/s時(shí)為鼓泡流狀態(tài)，此時(shí)ug3增大使氣泡數(shù)增多，從而使Eg3增大。但是，當(dāng)ug3>3.55 cm/s后為非均勻鼓泡流狀態(tài)，此時(shí)氣泡密度大而導(dǎo)致氣泡間聚并，形成較大的氣泡，大氣泡上升速度快，滯留時(shí)間短，從而使Eg3的值不再增大，而呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)。

與Eg3的變化規(guī)律類似，在鼓泡流范圍內(nèi)，隨著ug3的增大，Eg2也明顯增大；而在非均勻鼓泡流狀態(tài)，Eg2值增長趨勢減緩，但總是小于3室的氣含率。這是由于氣液混合物由3室上升繞過隔板進(jìn)入2室下降，氣速增加，進(jìn)入下降室的氣泡也增加，有部分氣體從上部離開反應(yīng)器，因此Eg2

2.1.2 φ(甲醇)的影響

當(dāng)1室表觀氣速固定為0.53 cm/s時(shí)，不同φ(甲醇)水溶液物系的3室氣含率與3室表觀氣速的關(guān)系見圖4。

ug3/(cm·s-1)圖4 ug1=0.53 cm/s、不同φ(甲醇)，3室氣含率與3室表觀氣速的關(guān)系

由圖4可見，當(dāng)3室表觀氣速固定時(shí)，隨著甲醇水溶液濃度的升高，3室的氣含率逐漸升高。這是由于φ(甲醇)增加，使液相表面張力減小，氣泡尺寸減小，因此氣含率隨甲醇濃度增加而增加。從圖4還可以看出空氣-水物系達(dá)到非均勻鼓泡流的表觀氣速(3.12 cm/s)低于甲醇水溶液物系的表觀氣速(3.76 cm/s)，這也是由于水物系表面張力大于甲醇水溶液物系使氣泡更易聚并所導(dǎo)致。

2.2 循環(huán)液速

2.2.1 表觀氣速的影響

在鼓泡流區(qū)域當(dāng)固定φ(甲醇)=0.1%時(shí)，MALR中3室液體線速度(ul3)與2個(gè)上升室表觀氣速之間的關(guān)系見圖5。

ug3/(cm·s-1)圖5 φ(甲醇)=0.1%，Ug1不同時(shí)3室液體線速度與3室表觀氣速的關(guān)系

由圖5可知，甲醇水溶液物系的循環(huán)液速與2個(gè)上升室表觀氣速均有關(guān)，ug1固定且不為0時(shí)，甲醇水溶液物系ul3隨3室表觀氣速的增加而增加，近似于線性增加；在ug1=0，且ug3≤1.73 cm/s時(shí)，隨ug3的增加，3室液體線速度明顯增加，當(dāng)ug3>1.73 cm/s，液速變化不大。同樣，在ug3固定時(shí)，隨ug1的增加，液體速度也是增加的。這是由于在鼓泡流區(qū)域，隨氣體速度的增加，輸入的能量增加，氣含率也在增加，循環(huán)推動(dòng)力增加，使液體循環(huán)速度加快。在ug1=0、ug3較大時(shí)，氣泡間相互碰撞加劇，液相渦流損失增加，使液體速度變化不大。

2.2.2 φ(甲醇)的影響

MALR中固定ug1=0時(shí)，空氣-水物系[φ(空氣)=0，φ(甲醇)=0]和空氣-甲醇水溶液物系[φ(空氣)=0，φ(甲醇)=0.1%及φ(空氣)=0，φ(甲醇)=0.5%]ul3隨ug3的變化規(guī)律見圖6。

ug3/(cm·s-1)圖6 ug1=0、不同φ(甲醇)3室液體線速度與3室表觀氣速的關(guān)系

由圖6可見，在ug3固定時(shí)，隨著甲醇水溶液濃度的升高，ul3逐漸降低。對于純水與φ(甲醇)=0.1%水溶液，當(dāng)ug3≤0.96 cm/s時(shí)，純水物系的ul3大于φ(甲醇)=0.1%的ul3；而當(dāng)ug3>0.96 cm/s時(shí)，隨著ug3的不斷增大，兩者的液體速度差別不大。這是由于隨甲醇濃度增加，液相表面張力減小，氣泡尺寸減小，循環(huán)到下降室的氣泡增多，導(dǎo)致有大氣泡產(chǎn)生而向上運(yùn)動(dòng)，阻礙液體向下流動(dòng)，使液體速度下降。

3 結(jié) 論

(1) 在上升室為均勻鼓泡流時(shí)，1個(gè)上升室的氣含率隨該室表觀氣速的增大明顯增加；隨甲醇水溶液濃度的增加，氣含率也增加，且均勻鼓泡流的氣速范圍也加大。

(2) 甲醇水溶液物系的循環(huán)液速與2個(gè)上升室表觀氣速均有關(guān)，且均隨表觀氣速的增加而增加，在非均勻鼓泡流區(qū)域，液體速度不再增加。隨著甲醇水溶液濃度的升高，液體循環(huán)速度減小。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 丁寧，李巖巖，蔣白懿，等.甲醇廢水處理技術(shù)及其應(yīng)用[J].遼寧化工，2012,41(6)：586-588.

[2] 曾科，買文寧，王敏璞.甲醇生產(chǎn)廢水處理技術(shù)應(yīng)用研究[J].化工設(shè)計(jì)，2009,19(6)：39-41,51.

[3] 丁富新，李飛，袁乃駒.環(huán)流反應(yīng)器的發(fā)展及應(yīng)用[J].石油化工，2004，33(9)：801-807.

[4] 劉永民，劉錚，袁乃駒.多管環(huán)流反應(yīng)器的流動(dòng)和傳質(zhì)特性[J].化工學(xué)報(bào)，2001，52(3)：222-225.

[5] 劉永民，胡華，丁富新，等.多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器的流動(dòng)特性研究[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工)，1996，12(1)：73-78.