旋流氣升式環(huán)流反應器的氣含率軸向分布

李志敏，劉永民，謝嫘祖，馬嘉楠

（遼寧石油化工大學石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

氣升式環(huán)流反應器（ALR）具有無機械傳動部件、結構簡單、低造價、低能耗、易于工業(yè)放大等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于化學工業(yè)、環(huán)境保護和能源化工等領域[1]。ALR 有內環(huán)流與外環(huán)流兩種，而內環(huán)流又分為環(huán)隙氣升式與中心氣升式兩種。環(huán)隙氣升式環(huán)流反應器（AALR）的上升區(qū)即主反應區(qū)在導流筒的外側，易于與環(huán)境換熱，因此特別適用于像重油、渣油加氫裂化一類的強放熱反應過程。

隨著石油資源的日趨減少，重油、渣油的深度加工成為現(xiàn)代化煉廠面臨的主要問題。在重油加氫裂化中，常使用低濃度、高分散性水溶性或油溶性催化劑。反應過程中，重油、渣油裂化生成輕烴、輕油的同時會有黏稠的焦粒生成[2]。若這些混合流體在反應器中的湍動與混合效果不佳，其中的焦粒就易于同高活性催化劑一起聚結成塊，沉降堆積在反應器下部，降低反應效率，并對裝置長時間的穩(wěn)定運行造成危害。為改善傳統(tǒng)ALR 上升區(qū)的流動、混合效果，本文提出了旋流氣升式環(huán)流反應器（HALR）。

由于重油加氫反應是在高壓反應器中進行，較大的高徑比有利于高壓反應器的放大設計，而反應器高度的增加，使得在軸向方向上的氣含率變得復雜。為此本文在新開發(fā)的高徑比為24 的HALR 中，采用空氣-水兩相與空氣-水-K 樹脂三相物系，考察該反應器的總體平均氣含率與表觀氣速、導流筒底邊與反應器底板間距離（以下簡稱為“底部間隙”）的關系并與AALR 進行對比；考察上升區(qū)氣含率與軸向高度、底部間隙和固體裝載量的變化規(guī)律，并獲得氣含率與軸向高度、表觀氣速的預測關系式，為重油加氫反應器的放大設計提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 旋流氣升式環(huán)流反應器與實驗流程

旋流氣升式環(huán)流反應器（HALR）由外筒體（φ85mm×5mm×1800mm 有機玻璃管）、內部旋流導流筒（PVC 材料）和底部氣體分布器等構成[圖1(a)]。旋流導流筒的局部實物圖見圖1(b)（其背景為水泥預制板），將旋流導流筒外壁沿軸向剪開并展開的平面圖見圖1(c)，該旋流導流筒是在導流管（φ 32mm×1mm×1500mm）上每隔10cm 粘接一對旋流片（a-a'，b-b' …），共安裝12 對旋流片，旋流片結構尺寸見圖1(d)的陰影部分，旋流片與軸向夾角為45°，5 對旋流片斷續(xù)上升繞環(huán)隙一周[圖1(c)]； 用3 個支腳[圖1(a)、(e)]將旋流導流筒在底部支撐固定，通過調換支腳來調節(jié)底部間隙δ；2 個微孔氣體分布器安裝在環(huán)隙區(qū)底部成180°角；在反應器外壁不同高度處有測壓管接口6 個，固體取樣口 5 個。

氣體由空氣壓縮機經(jīng)減壓閥和空氣轉子流量計經(jīng)由兩個氣體分布器進入反應器的環(huán)隙區(qū)[圖1(a)]，環(huán)隙區(qū)內的液體在氣體提升下并在旋流片控制下旋轉上升，在上部氣體離開反應器，液體經(jīng)導流管內下降，形成循環(huán)流動。氣體提升液體旋流運動細節(jié)示于圖1(c)：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，從此片的下面以斜向上45°角的方向上升，離開a 片后再垂直上升遇到旋流片b，并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，形成繞導流筒旋轉上升的運動；從另一個分布器出來的氣泡以同樣的旋轉方向依次經(jīng)過a'、b'、…、e'繞導流筒旋轉上升，故將此反應器命名為旋流氣升式環(huán)流反應器（helical-flow airlift loop reactor，HALR）。氣液流體的這種階梯旋轉上升流動，使氣泡和液體在上升過程中不斷與旋流片碰撞并改變運動方向，氣液界面不斷更新，有利于氣液間的湍動、混合、傳質與反應。

1.2 實驗條件及方法

實驗在常溫常壓下進行，以空氣-水為兩相物系、空氣-水-K 樹脂（密度為1.0316g/cm3）為三相物系，靜液高為156cm。實驗中K 樹脂的體積分數(shù)（V）分別為1.0%、2.0%和4.0%，環(huán)隙區(qū)內表觀氣速由氣體轉子流量計測量的氣體流量除以環(huán)隙區(qū)橫截面積而得，其范圍為0.47～2.31cm/s；底部間隙δ[圖1(a)、(e)]分別為12mm、18mm 和24mm。

反應器的總體平均氣含率（εT）采用體積膨脹法測量，見式（1）。

式中，hT為氣液充氣總高度，h0為靜液高。

上升區(qū)局部氣含率（εg）的測量：在氣-液-固三相物系中，用直接取樣法測量液固兩相中的相對固含率sε′，見式（2）。

圖1 旋流氣升式環(huán)流反應器(HALR)的結構與實驗流程圖（單位：mm）

式中，Vsl為取出液固混合物的體積；ms為Vsl中固體顆粒的質量。用壓差計測量反應器軸向高度不同位置上的局部壓差，并與液相中的相對固含率聯(lián)立求解，得到三相物系中局部氣含率（εg）計算式[3]，如式（3）。

式中，ρc、ρl、ρs分別為指示液、水和固體顆粒的密度；Δh 為壓差計讀數(shù)；Δz 為該壓差計兩個測壓口在反應器上的軸向距離。

在氣液兩相物系中，ε′s=0，所以由式（3）則可得到兩相物系局部氣含率的計算式[4]。

2 結果與討論

2.1 整體平均氣含率

對于空氣-水兩相物系，研究了表觀氣速、底部間隙及導流筒結構對反應器整體氣含率的影響，結果見圖2。

圖2 兩種反應器不同底部間隙（δ）時整體氣含率（εT）與表觀氣速（Ug）的關系

由圖2 可見，4 種結構的ALR 的整體平均氣含率均隨著表觀氣速的增大而增大，這與大多數(shù)的研 究結果是一致的[4]。但對于相同底部間隙的AALR和HALR 而言，在表觀氣速<1.69cm/s 時，AALR處于均勻鼓泡流，而對于HALR，在氣泡上升中遇到旋流片而部分產(chǎn)生聚并，致使其氣含率小于相同氣速時AALR 的氣含率，但相差較??；在表觀氣 速>1.69cm/s 時，AALR 處于非均勻鼓泡流，氣泡在上升中明顯產(chǎn)生聚并形成大氣泡，氣含率幾乎不增加，而在HALR 中，氣泡上升中聚并與破碎同時發(fā)生，氣速越大，氣泡被破碎的越明顯，小氣泡增多，使其氣含率高于AALR，氣速越大，相差也越大。因此提出的HALR在氣速較大時漩渦流動劇烈會對氣泡產(chǎn)生破碎作用，使氣含率升高，加大反應器的操作彈性，有利于產(chǎn)能的提高。

由圖2 可見，在表觀氣速<1.69cm/s 時，對于3個底部間隙的HALR，整體氣含率差別不大；這是由于在低氣速時，底部間隙所引起的流動阻力沒有旋流片的阻力大，因此氣泡上升速度由旋流片的特征及數(shù)量決定，氣含率不受底部間隙的影響。而在表觀氣速>1.69cm/s 后，旋流片對氣泡群產(chǎn)生破碎作用，隨著底部間隙的減小，流動阻力增加，氣泡停留時間增加，使平均氣含率也逐漸增加，氣速越大，差別也越大。

2.2 氣液兩相物系上升區(qū)氣含率

對于空氣-水兩相物系，在底部間隙為12mm 時的HALR 中，固定7 個不同的表觀氣速，研究了上升區(qū)氣含率與上升區(qū)軸向高度的關系，結果如圖3。

圖3 不同表觀氣速（Ug）時上升區(qū)氣含率（εg）與軸向高度（h）的關系

由圖3 可見，當表觀氣速一定時，上升區(qū)氣含率隨著軸向高度的增加，總體上是逐漸增加的，在表觀氣速較低時，增加的幅度比較小，氣含率最大值與最小值的差僅有0.013。隨著固定氣速的增加，氣含率受軸向高度的影響越敏感，在較高氣速（2.31cm/s）時，氣含率最大值與最小值的差達到0.058。這是因為當表觀氣速較小時，氣泡濃度很低，旋流片對氣泡的聚并作用較小，氣含率變化較??；隨著氣速的加大，氣泡密度加大，在旋流片作用下，氣液擾動明顯，氣泡的聚并破碎不斷發(fā)生，大氣泡被破碎是主要趨勢，因此氣含率增加較大。

由圖 3 還可以看出，在分布器控制區(qū)域（h<50cm）[5]，當表觀氣速較低（0.77～1.69cm/s）時，氣泡尺寸較小且均勻，氣含率較大；隨著氣泡向上運動與旋流片接觸，氣泡發(fā)生了聚并，使氣含率有所下降。氣泡越向上運動旋流片的渦流作用越強，氣泡被破碎的越明顯；同時，旋流流動延長了氣泡運動距離，使之在上升區(qū)停留時間增加，因此隨軸向高度增加，氣含率也增加。

在圖3 中可見，軸向高度固定，上升區(qū)局部氣含率隨著表觀氣速的增加而增加，這與前人的研究結果是一致的[6-7]。

2.3 氣液固三相物系上升區(qū)氣含率

2.3.1 不同底部間隙及軸向高度對εg的影響

對于空氣-水-K 樹脂三相物系，在K 樹脂裝載量為2%、表觀氣速為0.77cm/s 時，對于不同底部間隙，HALR 中不同軸向高度處局部氣含率的變化規(guī)律見如圖4。

圖4 不同底部間隙（δ）下軸向高度（h）與上升區(qū)氣含率（εg）的關系

由圖4 可見，在軸向高度小于105cm 時，由于氣速不大，氣泡濃度較低，流動阻力集中在裝有旋流片的上升區(qū)，底部間隙對阻力影響很小，所以底部間隙變化對氣含率的變化影響不大；而軸向高度在105cm 以上時，三相物系的氣含率高于兩相物系的氣含率，這是由于在軸向高度較高位置處，氣泡上升速度較快，旋流片更易破碎大氣泡，固體的均勻流化也會增加對大氣泡的破碎作用[7]，因此在較高軸向位置處氣含率較高。

2.3.2 不同固體裝載量及表現(xiàn)氣速對εg的影響

在底部間隙18mm、軸向高度57.8cm 處的HALR 中，對于不同固體裝載量，局部氣含率隨表觀氣速的變化結果如圖5 所示。

由圖5 可見，總體而言，氣含率隨著表觀氣速的增加而增大。當表觀氣速較低時（Ug<1.38cm/s），兩相物系（V=0）的氣含率稍微大于三相物系的氣含率。這是因為在三相物系中（軸向高度較低處），固體顆粒的存在，使得氣相所占體積較小，使氣泡上升較快，滯留時間短，并且固體含量越大，停留時間越短，因而氣含率偏低。

圖5 固體裝載量（V）不同時HALR 上升區(qū)氣含率（εg）與表觀氣速（Ug）的關系

表觀氣速較大（Ug≥1.61cm/s）時，氣泡濃度加大，旋流片使氣泡上升中更易相互碰撞，氣泡易于發(fā)生聚并；但另一方面，旋流片能起旋流作用，旋流流動還會使固體顆粒流化的更均勻，這易于將大氣泡破碎為小氣泡，因而三相物系氣含率會大于兩相物系的氣含率；隨著固體含量的增加，對大氣泡的破碎作用越明顯，使氣含率明顯增加。因此存在一個使固體顆粒充分流化循環(huán)的最低操作氣速。

2.4 局部氣含率預測模型

氣含率的數(shù)據(jù)對于各類ALR 中的流體循環(huán)速度、氣相和固相在反應器內的分布、傳質速率、混合性能以及化學反應速率等均有重要影響，而且對該類反應器的工業(yè)設計、優(yōu)化分析也具有重要參考價值，因此獲得氣含率的預測模型是此類反應器的重要研究內容。

迄今，已經(jīng)提出的該類反應器的氣含率預測模型也比較多，大家公認的比較方便實用的是反應器的總體平均氣含率或上升區(qū)平均氣含率的模型[1]如式（4）。

式中的冪指數(shù)a2從0.333～0.96，a3從-1～-0.333，該類模型適用于中心氣升式內環(huán)流或外環(huán)流反應器，而氣含率沿上升區(qū)軸向分布多是實驗結果[6-7]，未見有預測模型。因此本文對開發(fā)的HALR中氣含率沿上升區(qū)軸向高度的預測模型進行研究。

根據(jù)前述實驗結果，HALR 的上升區(qū)氣含率與表觀氣速（Ug）和軸向高度（h）均有關，且影響關系分別為表觀氣速的冪指數(shù)和軸向高度的線性關系，因此提出氣含率預測模型，如式（5）。

對于水-空氣兩相物系，在表觀氣速為0～2.31cm/s的范圍內，在底部間隙分別為12mm、18mm和24mm 的HALR 中測得的局部氣含率實驗數(shù)據(jù)（104 組）進行擬合處理得到模型方程（5）的系數(shù)，即得到HALR中局部氣含率與表觀氣速和軸向高度的關系，如式（6）。

用方程（6）對氣含率進行計算，得到的計算值（εg，cal）與實驗值（εg，exp）的比較見圖6，所有數(shù)據(jù)的平均相對誤差為12%，可以用于工程設計。

圖6 HALR 中上升區(qū)氣含率計算值（εg，cal）與實驗值 （εg，exp）比較

3 結 論

開發(fā)研究的新型旋流氣升式環(huán)流反應器有如下特點。

（1）表觀氣速較?。?1.69cm/s）時，HALR的旋流片對上升的流體旋流作用弱，對氣泡有阻礙作用并導致聚并，使氣含率下降；在較高表觀氣速（>1.69cm/s）時，旋流片對流體產(chǎn)生強的旋流作用，形成的大氣泡易于被破碎，使氣含率提高，即HALR有利于高氣速操作。

（2）表觀氣速較?。?1.69cm/s）時，底部間隙對HALR 的氣含率的影響很小，可以忽略；在較高表觀氣速（>1.69cm/s）時，隨底部間隙的減小，氣含率增加。

（3）HALR 中上升區(qū)局部氣含率隨著軸向高度的增加而增加，但隨在固定表觀氣速的增加會加大增加的幅度。

（4）當表觀氣速較低時（<1.38cm/s），兩相物系的氣含率稍微大于三相物系的氣含率。隨著固體裝載量的增加，氣含率下降；表觀氣速較大（≥1.61cm/s）時，氣含率隨著固體裝載量的增加而增大。

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