高長徑比氣升式環(huán)流反應(yīng)器的流體動力學模型

高 闖, 王繼鋒

(1.遼寧石油化工大學 石油化工學院， 遼寧 撫順 113001; 2.中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001)

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高長徑比氣升式環(huán)流反應(yīng)器的流體動力學模型

高 闖1，2, 王繼鋒2

(1.遼寧石油化工大學 石油化工學院， 遼寧 撫順 113001; 2.中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001)

在高長徑比(H/D=22.2)氣升式環(huán)流反應(yīng)器中，依據(jù)能量平衡原理及漂流通量模型，考慮到導流筒中由于固體顆粒的加入而引起的液固兩相間的能量損失，提出液固能量損失系數(shù)Cf，并給出Cf的測量方法，建立上升區(qū)循環(huán)液速的預測模型.以空氣-水-石英砂為物系，研究氣含率、固含率、循環(huán)液速隨表觀氣速的變化規(guī)律，將循環(huán)液速的預測值與實驗值進行比較.結(jié)果表明：表觀氣速在1.32～4.45 cm/s范圍內(nèi)時，氣含率隨表觀氣速的增大而增大；固含率與表觀氣速的關(guān)系不大，固體顆粒含量越多固含率越大；循環(huán)液速隨表觀氣速的增加而增大，隨著固體含量的增加而減小，并隨粒徑的增大而減小.

氣升式環(huán)流反應(yīng)器； 氣含率； 固含率； 循環(huán)液速

氣升式環(huán)流反應(yīng)器(ALR)是一種以氣源為動力，使液體、固體能均勻混合并做有規(guī)則的循環(huán)流動，具有良好的混合、傳質(zhì)、傳熱性能，寬泛的操作彈性和較好的穩(wěn)定性.在生物化工、能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其適用于重油、渣油的液相加氫裂解，有效降低結(jié)焦程度[1]，高長徑比ALR解決了因高壓操作所導致的反應(yīng)器外徑大、器壁過厚、占地面積大、不易工業(yè)化等問題[2]，因此，本文研究高長徑比的三相ALR的流動性能，為該類反應(yīng)器在高溫高壓操作下的工業(yè)應(yīng)用提供理論支撐.

氣含率、固含率和循環(huán)液速是ALR中3個重要的流體動力學參數(shù)，對相間傳質(zhì)速率及混合形式有直接影響，也是反應(yīng)器設(shè)計與放大的重要參數(shù).目前，ALR的流體動力學模型的建立主要根據(jù)能量平衡原理.浙江大學的盧剛[3]等分析了氣含率和液體循環(huán)速率對反應(yīng)器性能的影響，并建立了數(shù)學模型，對決定兩者的因素進行了討論.目前對兩相系統(tǒng)研究較透徹，而在三相系統(tǒng)的研究中，由于固體相的增加對反應(yīng)器的流體力學、傳質(zhì)特性產(chǎn)生很大影響，因而增加了建模的難度[4].大多數(shù)的研究將液、固兩相用平均密度表示為一個相[5-6]，流動阻力系數(shù)往往采用一個總阻力系數(shù)，進而利用兩相的研究方法或結(jié)果，卻未考慮因固相的加入而引起的各相間相互作用的能量損失.為此，本文在高長徑比ALR中，考慮到反應(yīng)器直管段很長，由此引起液固間能量損失不可忽視，提出液固相互作用能量損失系數(shù)Cf.根據(jù)能量平衡原理及漂流通量模型建立了ALR中流體動力學模型，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證.

1 理論部分

反應(yīng)器中液固循環(huán)能量來自于氣體的輸入,而能量消耗的方式很多，包括由固相的加入而引起的液固間相互作用能量損失ELs、上升區(qū)氣泡尾渦造成的能量損失Er、下降區(qū)氣體滯流造成的能量損失Ed[6]、物料在反應(yīng)器頂部和底部的能量損失Et和Eb以及管壁的摩擦損失Ef.

根據(jù)能量平衡原理[7]得：

Ei=Er+Ed+Et+Eb+Ef+ELS

(1)

由于管壁面摩擦損失Ef比其它能量損失小很多，故忽略不計.因在流動過程中，固體顆粒主要受到自身重力、液相曳力和浮力以及液體流動的摩擦力，故ELs可用式(2)表示：

ELS=CfρsgdsuLrArεs

(2)

式(2)中Cf為無量綱的液固相互作用能量損失系數(shù)，它與液體和固體的相對速度、液體黏度、固體顆粒粒徑及含量有關(guān)，故將其表示成液固相對速度的雷諾數(shù)與固體顆粒含量的函數(shù)，即

(3)

與兩相流動相比，三相流動中忽略氣固相間及固體顆粒間的相互作用，只考慮增加了液體與固體間的相互作用.由于固體顆粒體積很小，加入后引起的循環(huán)液速變化不明顯，在其它條件相同時，三相體系中氣液間能量損失及液體的位能差近似看作與兩相體系相同，由動量守恒原理可求出液固間相互作用的能量損失系數(shù)Cf.

(4)

為確定式(4)中各相含率等多個變量，應(yīng)用漂流通量模型[5]，得到

(5)

式中C0為上升區(qū)分布參數(shù)，它反映了反應(yīng)器內(nèi)氣含率、固含率、氣泡大小和液體速度分布的不均勻性；ubt為氣泡終端上升速率；ugr為上升區(qū)氣體表觀氣速；usr為固體顆粒表觀速率，可由式(6)表示[5]

(6)

當固體顆粒與流體相對運動雷諾數(shù)在1～103范圍內(nèi)時，單個固體顆粒的自由沉降速度(ust)用Allen公式[8]計算：

(7)

在導流筒中，考慮到氣泡群與固體顆粒及固體顆粒群之間均有相互作用，導致固體顆粒沉降速度沿導流筒徑向分布不同，所以固體顆粒沉降速度修正為

(8)

研究發(fā)現(xiàn)上升區(qū)和下降區(qū)氣含率的關(guān)系為[5]

εgd=αεgr+β

(9)

式中參數(shù)α和β與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、物料性質(zhì)和操作方式有關(guān).

固含率是影響環(huán)流反應(yīng)器中重要參數(shù)，它與氣體表觀速率、裝液量、固體含量、固體密度、反應(yīng)器的直徑等有較大的關(guān)系[6]，通過無因次準數(shù)關(guān)聯(lián)可得到[9]：

(10)

聯(lián)立式(4)～(10)即可確定三相ALR中的液體速度和相含率的數(shù)值.

2 實 驗

2.1 實驗裝置及條件

圖1為氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器主體，內(nèi)徑為90 mm，高2 000 mm，由有機玻璃制成.導流筒外徑為60 mm，壁厚2.2 mm，高為1 560 mm，底部間隙為23 mm.在導流筒不同高度處有測壓點8處(a～f)，可測軸向不同位置間壓差.沿反應(yīng)器軸向自下而上有取樣口6處(1～6).

箭頭所示為氣體流速方向

a，b，…，f 壓差計 1～6 固體取樣口 7 反應(yīng)器 8 流量計 9 壓力表 10 穩(wěn)壓閥 11 空氣壓縮機

圖1 實驗裝置

Fig 1 Schematic diagram of experimental apparatus

實驗在常壓室溫下進行，氣-液-固三相物系為空氣-水-石英砂，靜液高為160 cm，導流筒內(nèi)表觀氣速在1.32～4.45 cm/s范圍內(nèi).石英砂粒徑為0.1～1.2 mm，密度為2.651 2 g/cm3，體積分數(shù)φ分別為0.5 %、1 % 、2 % 和3 %.

2.2 實驗原理

在相同條件下測量兩相體系和三相體系中反應(yīng)器軸向相同測壓點間的壓差，由動量守恒原理可求出液固間相互作用的能量損失系數(shù)Cf

(11)

用直接取樣法測得固體在液體中自由沉降的堆積體積V′和液固總體積V，其比值為液固兩相的相對固含率[10]，用壓差計測量壓力分布后,與液固兩相的相對固含率聯(lián)立求解,得到三相體系中氣含率和固含率[9]；用電導脈沖法測定循環(huán)液速，利用2個單針電導探頭測量脈沖，注入KC1飽和溶液后，由兩路電導信號的先后響應(yīng)測得兩路液體的停留時間分布曲線，通過對過濾氣泡信號后的液體的停留時間分布曲線可得到循環(huán)液速.

3 結(jié)果與討論

3.1 流動模型的實驗回歸關(guān)聯(lián)式

液固能量損失系數(shù)與固體粒徑大小、固體顆粒含量以及流體流動形式有關(guān).固體顆粒含量越多，Cf越大；固體與液體相對雷諾數(shù)越大，Cf越小.用實驗數(shù)據(jù)回歸可得到Cf與各操作參數(shù)的關(guān)系

(12)

下降區(qū)氣含率及上升區(qū)固含率分別按式(9)、式(10)用實驗數(shù)據(jù)進行回歸，得到

εgd=0.67εgr+0.014

(13)

(14)

聯(lián)立模型方程(4)～(6)以及式(12)～(14)，可得氣含率和循環(huán)液速的計算值.考慮與忽略液固間相互作用得到的循環(huán)液速的預測值與實驗值比較見圖2.

圖2 循環(huán)液速實驗值與計算值的比較

由圖2可知：上升區(qū)循環(huán)液速的實驗值與預測值誤差不大，平均相對誤差為12.5 %，最大相對誤差為18.4 %.如果在模型方程建立時不考慮三相流動中液固間相互作用引起的能量損失ELs，平均相對誤差為18.3 %，最大相對誤差為19.4 %.由此可見，在高長徑比反應(yīng)器中建立流體動力學模型時，有必要考慮三相流動中液固間相互作用引起的能量損失.

3.2 氣、固含率

在固體顆粒含量不同時上升區(qū)氣含率與表觀氣速的關(guān)系見圖3.由圖3可知：隨著表觀氣速的升高，導流筒內(nèi)氣含率增大[11].

圖3 固體顆粒含量不同時上升區(qū)氣含率與表觀氣速的關(guān)系

在固體顆粒含量不同時，上升區(qū)固含率與表觀氣速的關(guān)系見圖4.由圖4可知：固含率隨固體顆粒含量增多而增大.當固體顆粒含量一定時，固含率隨表觀氣速的變化不明顯；當固體顆粒含量很少時(小于1 %)，固含率基本不隨表觀氣速變化.這主要是由于固體顆粒少，粒徑小，液體帶動固體在導流筒內(nèi)流動使其分布均勻；當固體顆粒含量增大時(大于等于2 %)，固含率隨表觀氣速的增大有下降趨勢.當表觀氣速升高后，使導流筒內(nèi)氣含率增大，所以液體速率增大，固體顆粒在循環(huán)液體的帶動下在導流筒內(nèi)軸向分布高度均勻，顆粒的流化床層高度慢慢增大，因此，在導流筒內(nèi)固含率慢慢減小.

圖4 固體顆粒含量不同時上升區(qū)固含率與表觀氣速的關(guān)系

3.3 循環(huán)液速

圖5為固體顆粒含量及粒徑不同時上升區(qū)循環(huán)液速與表觀氣速的關(guān)系.由圖5可知：循環(huán)液速隨表觀氣速的增加而增大，且兩相體系中的循環(huán)液速均大于三相體系的循環(huán)液速.這是因為固體顆粒加入后，在導流筒區(qū)固體顆粒沉降速度與液體流動速度方向相反，對液體的運動產(chǎn)生阻礙，使得液體速度變小.當固體顆粒粒徑相同時，固體顆粒含量越少循環(huán)液速越大.這是因為固含率的增加使得體系表觀黏度增大，流動阻力增大；另一方面，固體顆粒的加入，使得上升區(qū)與下降區(qū)密度差增大，從而影響循環(huán)液速.當固體顆粒含量一定，循環(huán)液速隨固體顆粒直徑的增大而減小.這是因為固體顆粒受到自身重力、液相曳力和浮力的作用，固體顆粒越大使得流動阻力越大，從而使循環(huán)液速減小.

圖5 固體顆粒含量及粒徑不同時上升區(qū)循環(huán)液速與表觀氣速的關(guān)系

3.4 壓差及液固能量損失系數(shù)

不同固體顆粒含量時導流筒內(nèi)兩測壓點的壓差及液固能量損失系數(shù)Cf與表觀氣速的關(guān)系示見圖6.

圖6 固體顆粒含量不同時壓差(實線)及液固能量損失系數(shù)Cf(虛線)與表觀氣速的關(guān)系

由圖6可見：同一表觀氣速下，固體顆粒加入之前兩測壓點的壓差最大，隨著固體顆粒的加入，兩測壓點的壓差越來越小.這是因為在固體顆粒加入前，兩測壓點壓差的產(chǎn)生來自于流體的位能差、動能差及克服流動阻力產(chǎn)生的壓降，固體相的加入，增加了克服各相間摩擦阻力產(chǎn)生的壓降，三相物系中各相間的摩擦損失抵消了一部分由位能差引起的壓降，故三相體系中的壓差小于兩相體系.在固體顆粒含量一定時，表觀氣速越大兩測壓點壓差也越大.

由圖6還可以看出：同一表觀氣速下固體顆粒含量越多，壓差越小，液固能量損失系數(shù)越大.這是由于隨著固體顆粒的加入，固體在流動的液體中越來越密集，液固間相互作用增強，使液固相互作用增大.

不同固體粒徑時導流筒內(nèi)兩測壓點的壓差及液固能量損失系數(shù)Cf與表觀氣速的關(guān)系見圖7，由圖7可以看出：同一表觀氣速下，固體顆粒加入之前兩測壓點的壓差最大，固體粒徑越大壓差越大，相同粒徑下表觀氣速越大壓差越大；相同表觀氣速下，固體粒徑越小液固能量損失系數(shù)越大，因為粒徑越小固體與液體接觸面積越大，產(chǎn)生的摩擦越多.相同粒徑時隨著表觀氣速的增大，液固能量損失系數(shù)先減小后略微有所增大.

圖7 不同固體粒徑時壓差(實線)及液固能量損失系數(shù)Cf(虛線)與表觀氣速的關(guān)系

4 結(jié) 論

在高長徑比氣升式環(huán)流反應(yīng)器中，空氣-水-石英砂三相物系在表觀氣速1.32～4.45 cm/s范圍內(nèi)，根據(jù)能量平衡原理及漂流通量模型，建立了上升區(qū)循環(huán)液速預測模型.在模型方程式中提出液固相間能量損失系數(shù)Cf，相同條件下可由兩相與三相壓差測得，Cf隨固體顆粒含量的增加而增大，隨固體與液體相對雷諾數(shù)的增大而減小.回歸得到Cf的關(guān)聯(lián)式.并由實驗數(shù)據(jù)驗證了在建立高長徑比反應(yīng)器流體動力學模型時有必要考慮三相流動中液固間相互作用引起的能量損失.

在三相高長徑比氣升式環(huán)流反應(yīng)器中，氣含率和循環(huán)液速隨表觀氣速的增大而增大；固含率與表觀氣速的關(guān)系不大.隨著固體顆粒含量的增加，固含率增大，循環(huán)液速減小，氣含率變化不明顯.此外，循環(huán)液速隨粒徑的增大而減小.

符號說明：

A—反應(yīng)器截面積，m2；a0、a1、a2—經(jīng)驗參數(shù)；

b0、b1、b2、b3—經(jīng)驗參數(shù)；C0—分布系數(shù)；Cf—液固相互作用系數(shù)；D—反應(yīng)器直徑，mm；

ds—顆粒直徑，mm；E—能量,J；

Ef—摩擦損失,J；Ei—輸入能量,J；

ELs—液固相互作用能量損失,J；

Fr—Froude 準數(shù)；g—重力加速度，m/s2；

hD—擴散高度，mm；h—靜液高度，mm；

K—局部阻力系數(shù)； ΔP—壓差,Pa；

ReL-s—液固雷諾數(shù)(ReL-s=ds(uL-us)ρL/μL)；

Ret—固體沉降雷諾數(shù)(Ret=dsustρL/μL)；

u—表觀速率，cm/s；

uLr,exp—循環(huán)液速實驗值,cm/s；

uLr,cal—循環(huán)液速計算值,cm/s；

ubt—氣泡終端上升速率，cm/s；

ust—固體沉降速率，cm/s；m—質(zhì)量,g；

Z—取樣口高，m；α、β—經(jīng)驗參數(shù)；

ε—相含率；ζ—修正系數(shù)；

μ—黏度，Pa·s；ρ—密度，g/cm3；

ω—固體顆粒體積分數(shù)， %.

下標：

b—底部； d—下降區(qū)； g—氣相；

L—液相； r—上升區(qū)； s—固相；

t—頂部.

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

[2] 王麗朋，張文飛，劉永民.高長徑比環(huán)流反應(yīng)器中氣、固含率的軸向分布研究[J].化工科技，2011，19(5)：12-15

[3] 盧剛，鄭平.氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器流體力學特征探討[J].浙江大學學報(農(nóng)業(yè)與生命科學版)，2003,29(2)：188-194.

[4] 張文飛，劉永民，王麗朋.三相多室環(huán)流反應(yīng)器的流動特性[J].石油學報(石油加工),2012,28(4)：625-630.

[5] FREITAS C,FIALOVA M,ZAHRADNIK J,et al.Teixeira.Hydrodynamic Model for Three-phase Internal- and External-loop Airlift Reactors[J].Chemical Engineering Science,1999,54(21):5253-5258.

[6] FELICE R D.Liquid Circulation Rates in two- and Three-phase External Airlift Reactors[J].Chemical Engineering Journal,2005,109(1):49-55.

[7] CHISTI M Y,HALARD B,MOO-YOUNG M.Liquid Circulation in Airlift Reactors[J].Chemical Engineering Science,1988,43(3):451-457.

[8] 夏清，陳常貴.化工原理.上冊[M].天津：天津大學出版社，2005:159-210.

[9] 朱慧紅，劉永民，于大秋.多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器氣、液、固三相相含率的研究[J].石油學報(石油加工),2004,20(6):68-73.

[10]袁福根,顧其威.氣升式外循環(huán)淤漿反應(yīng)器的氣含率和傳質(zhì)的研究[J].化學反應(yīng)工程與工藝，1990,6(3):40-47.

[11]王燕，尹俠.固體顆粒對三相氣升式環(huán)流反應(yīng)器流動特性的影響[J].南京工業(yè)大學學報(自然科學版)，2007,29(5)：101-105.

Hydrodynamic Model in Airlift Loop Reactor with Big Ratio of Height to Diameter

GAO Chuang1，2， WANG Ji-feng2

( 1.Liaoning Shihua University, Fushun 113001， China;2.Sinopec Fushun Petrochemical Research Institute, Fushun 113001, China)

In the airlift loop reactor with big ratio of height to diameter,taking the energy dissipation due to the interaction between solid and liquid caused by the addition of solid particles in draft tube into account based on the basis of energy balance principle and drift-flux model.The method for calculating the energy dissipation coefficient between liquid-solid was proposed,and the model of liquid circulation velocity in riser was established.The variation of gas holdup,solid holdup and liquid circulation velocity with superficial gas velocity for the system of air-water-quartz sand in airlift reactor are researched.Calculated values and experimental values of liquid circulation velocity are compared.The results showed that the gas holdup in riser increased with the increase of superficial gas velocity in a range of superficial gas velocity 1.32～4.45 cm/s,and the solid holdup was independent on the superficial gas velocity and only increased with the increase of the solid loading.The liquid circulation velocity increased with the increase of superficial gas velocity,while decreased as the solid loading increased and decreased as the solid diameter increased.

airlift loop reactor; gas holdup; solid holdup; liquid circulation velocity

2014-07-13

高闖(1987-)，男，遼寧撫順人，碩士研究生在讀，主要從事多相反應(yīng)器的研究.

王繼鋒(1964-)，男，遼寧撫順人，教授級高工，碩士，主要從事多相反應(yīng)器、加氫裂化催化劑的研究.

2095-2198(2016)03-0217-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.006

TQ052

A