旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器中含醇物系的局部與總體氣含率研究*

張 宇，王 帥，劉永民

(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)

環(huán)流反應(yīng)器是一種以氣源為動(dòng)力，使氣體和液體充分混合并使液體有規(guī)則循環(huán)流動(dòng)的氣液接觸裝置。該反應(yīng)器是在強(qiáng)化鼓泡反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型、高效的氣-液、氣-固或氣-液-固的多相反應(yīng)器，而旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器是在環(huán)隙氣升式環(huán)流反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改制而成，即在其導(dǎo)流筒的外壁上沿螺旋線方向不連續(xù)地安裝多個(gè)短小的翅片而制成的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(見圖1)。翅片的存在使氣液混合物在環(huán)隙區(qū)每上升一段距離就會(huì)改變流動(dòng)方向進(jìn)而增加氣液兩相的湍動(dòng)與混合，并會(huì)促進(jìn)氣泡的破碎與聚并，從而強(qiáng)化了反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)、傳熱和混合效果。此類反應(yīng)器具有操作便捷、易密封、能耗低、氣液相間接觸良好等諸多優(yōu)點(diǎn)使之在環(huán)境工程、生物化工、石油化工以及冶金等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，而且必將有更加廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，異丙醇、正丁醇、乙醇等醇類物質(zhì)在生物化工、制藥、精細(xì)化工、電子工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛，用量也逐漸加大，隨之而來伴生了大量含醇類的工業(yè)廢水[3-4]。處理此類廢水的設(shè)備——反應(yīng)器也比較多，而提高反應(yīng)器內(nèi)的氣液接觸效率，強(qiáng)化氣液的混合程度是提高廢水處理效果、降低能耗的重要研究方向，為此作者對(duì)新型結(jié)構(gòu)導(dǎo)流筒的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器[5-6]進(jìn)行了研究。

平均氣含率和上升區(qū)局部氣含率是反映反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)、反應(yīng)性能、流動(dòng)與混合、傳熱性能以及反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)的重要特性參數(shù)[7]。目前對(duì)氣含率的研究多用空氣-水物系[8-10]，為豐富其它液相物料體系的研究，使氣含率的研究更具適用性，作者應(yīng)用模擬含醇類的廢水對(duì)旋流反應(yīng)器的平均氣含率和上升區(qū)局部氣含率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察反應(yīng)器中導(dǎo)流筒底部與反應(yīng)器底板間的距離(簡稱底部間隙)以及醇類體積分?jǐn)?shù)等對(duì)總體與局部氣含率的影響，以期探索物料的物性及導(dǎo)流筒安裝尺寸對(duì)反應(yīng)器性能的影響，為此類反應(yīng)器的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)流程

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

實(shí)驗(yàn)用旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(圖1a所示)的主體結(jié)構(gòu)高2 m，內(nèi)徑0.09 m，總高2.4 m；旋流導(dǎo)流筒的導(dǎo)流管規(guī)格為D50 mm×5 mm×1 500 mm，有兩種結(jié)構(gòu)，在其徑向固定的旋流片(圖1b)每組有3個(gè)翅片的簡稱“3翅片導(dǎo)流筒”，每組有4個(gè)翅片的簡稱“4翅片導(dǎo)流筒”，每個(gè)導(dǎo)流筒上共有10組翅片，且旋流片與軸向成60°；反應(yīng)器及內(nèi)構(gòu)件材料為有機(jī)玻璃。反應(yīng)器內(nèi)氣體、液體的流動(dòng)參見文獻(xiàn)[5]。

圖1 旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器(HALR)的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

常溫常壓下，實(shí)驗(yàn)表觀氣速范圍為0.46～1.86 cm/s；反應(yīng)器中導(dǎo)流筒底部與反應(yīng)器底板間的距離稱之為底部間隙，根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]的研究結(jié)果選定底部間隙為1.2 cm和2.4 cm；實(shí)驗(yàn)物系中氣相為空氣，液相分別為水，體積分?jǐn)?shù)為1%、5%、10%的異丙醇水溶液，1%正丁醇水溶液和1%乙醇水溶液，液相間歇操作，液體靜液高為156 cm。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

1.3.1 整體平均氣含率的測(cè)定

反應(yīng)器的總體平均氣含率(εt)采用體積膨脹法測(cè)量，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中，ht為反應(yīng)器充氣總高度；h0為靜液高。

1.3.2 局部氣含率

對(duì)上升區(qū)微元管段做動(dòng)量平衡，由于管段很小，忽略流體流動(dòng)阻力和流體加速項(xiàng)，可得上升區(qū)局部氣含率(εi)[5]，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中，Δz為上升區(qū)兩測(cè)壓點(diǎn)距離;Δh為在兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)間安裝的壓差計(jì)讀數(shù)；ρc、ρL分別為指示劑和實(shí)驗(yàn)用液體的密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器整體平均氣含率

2.1.1 底部間隙的影響

對(duì)于空氣-φ(異丙醇)=10%水溶液物系，3翅片導(dǎo)流筒，不同底部間隙時(shí)反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律見圖2。

ugs/(cm·s-1)圖2 不同底部間隙時(shí)反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化

由圖2可見，這兩個(gè)底部間隙結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器平均氣含率均隨表觀氣速的增加而增加，在同一表觀氣速下反應(yīng)器平均氣含率隨著底部間隙的增大而減小，這是由于底部間隙越大，反應(yīng)器底部轉(zhuǎn)向區(qū)域的流動(dòng)阻力越小，液體流動(dòng)速度就增大[11-13]，氣泡上升速度加快，使氣泡在上升區(qū)內(nèi)停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致氣含率減小，兩種底部間隙的氣含率差的平均值為0.006 4。

2.1.2 φ(異丙醇)的影響

在3翅片導(dǎo)流筒底部間隙為1.2 cm的旋流反應(yīng)器中，考察了液相分別為水，φ(異丙醇)=1%、5%和10%水溶液的四組物系反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律，結(jié)果見圖3。

ugs/(cm·s-1)圖3 φ(異丙醇)不同時(shí)反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化

由圖3可見，對(duì)于三種體積分?jǐn)?shù)的異丙醇水溶液物系，隨著表觀氣速的增加，反應(yīng)器平均氣含率均隨之增加且均比水物系大。這是由于表觀氣速越大，氣泡濃度越大，氣含率就越大；在表觀氣速一定時(shí)，φ(異丙醇)越大反應(yīng)器平均氣含率就越高，這是由于水溶液中異丙醇濃度越高溶液的表面張力就越小[14]，表面張力越小則產(chǎn)生的氣泡直徑就越小，單位液體體積內(nèi)氣泡濃度就越大，所以氣含率就隨異丙醇濃度的增加而增加。

2.1.3 不同醇類物料體系的影響

在3翅片導(dǎo)流筒底部間隙為1.2 cm的旋流反應(yīng)器中，考察了液相分別為水、體積分?jǐn)?shù)均為1%乙醇、異丙醇和正丁醇水溶液的四組兩相物系的反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，三個(gè)不同醇類物系，反應(yīng)器平均氣含率均隨著表觀氣速的增加而增加，相同氣速下，三種不同醇類物系的平均氣含率結(jié)果為乙醇物系最大，正丁醇次之，而異丙醇物系最小，而且三個(gè)醇類物系的氣含率均比純水物系的大。這可能是由于乙醇、正丁醇、異丙醇、水物系表面張力依次升高[14]，表面張力越小，越易形成小氣泡，相同表觀氣速下，單位體積的氣泡濃度越大，氣含率就越大。

ugs/(cm·s-1)圖4 不同物系時(shí)反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化

2.2 上升區(qū)局部氣含率

2.2.1 φ(異丙醇)的影響

在底部間隙為1.2 cm，導(dǎo)流筒翅片為3，表觀氣速固定為1.163 cm/s，φ(異丙醇)不同時(shí)反應(yīng)器上升區(qū)局部氣含率隨上升區(qū)軸向高度的變化規(guī)律見圖5。

H/cm圖5 φ(異丙醇)不同時(shí)上升區(qū)局部氣含率隨反應(yīng)器軸向高度的變化

由圖5可見，隨著軸向高度的增加，上升區(qū)局部氣含率基本恒定在均值上下波動(dòng)；這是由于在表觀氣速一定時(shí)，通入的氣體量一定，氣體在上升區(qū)內(nèi)在旋流片作用下聚并與破碎現(xiàn)象隨時(shí)發(fā)生，使氣含率小幅度上下波動(dòng)。從圖5還可看出，在軸向高度(H)一定時(shí)，隨φ(異丙醇)的增加局部氣含率也隨之增加，這是由于φ(異丙醇)越大，表面張力越小[14]，形成的氣泡越小，因此氣含率增加。

2.2.2 不同物料體系的影響

在表觀氣速固定為1.163 cm/s，底部間隙為1.2 cm，導(dǎo)流筒翅片為3時(shí)，考察了水、φ(乙醇)=1%、φ(異丙醇)=1%、φ(正丁醇)=1%水溶液物系的上升區(qū)局部氣含率隨軸向高度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖6。

H/cm圖6 不同物系時(shí)上升區(qū)局部氣含率隨軸向高度的變化

由圖6可見，相同表觀氣速下，φ(乙醇)=1%和φ(正丁醇)=1%物系氣含率最大，φ(異丙醇)=1%物系次之，而水最小，所以在水中加入少量乙醇或正丁醇有利于小氣泡的形成，使氣液相界面積增大，從而使反應(yīng)器傳質(zhì)性能提高[15-16]。對(duì)于水(H>50 cm)和φ(異丙醇)=1%水溶液物系上升區(qū)局部氣含率在軸向高度上基本維持恒定；而對(duì)于φ(乙醇)=1%和φ(正丁醇)=1水溶液物系在H>90 cm時(shí)，上升區(qū)局部氣含率隨著軸向高度的增加基本恒定；與水和φ(異丙醇)=1%水溶液物系結(jié)果類同。

2.2.3 導(dǎo)流筒上翅片數(shù)的影響

在空氣-φ(異丙醇)=1%兩相物系中，底部間隙為2.4 cm，導(dǎo)流筒翅片不同時(shí)上升區(qū)局部氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律見圖7。

ugs/(cm·s-1)圖7 導(dǎo)流筒翅片不同時(shí)上升區(qū)局部氣含率隨表觀氣速的變化

由圖7可見，對(duì)于兩個(gè)翅片結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流筒，上升區(qū)局部氣含率均隨表觀氣速的增加而增大。很明顯可以看出，在表觀氣速小于0.931 cm/s時(shí)，3翅片導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的氣含率略大于4翅片結(jié)構(gòu)的，二者相差小于6.7%；在表觀氣速大于0.931 cm/s時(shí)4翅片導(dǎo)流筒的要比3翅片的大。這是因?yàn)樵诒碛^氣速較小時(shí)，旋流翅片越多越易使氣泡聚并而形成稍大的氣泡，使氣含率下降；而當(dāng)表觀氣速較大時(shí)，翅片越易于破碎氣泡而形成更多的小氣泡[6]，因此4翅片結(jié)構(gòu)的局部氣含率更大。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于乙醇、異丙醇、正丁醇的低濃度醇類水溶液物系，反應(yīng)器平均氣含率和上升區(qū)局部氣含率均隨著表觀氣速的增加而增加,濃度相同時(shí)總體氣含率的變化結(jié)果為乙醇水溶液的最大，正丁醇水溶液次之，異丙醇水溶液較小，三者都比水大。表觀氣速一定，上升區(qū)局部氣含率在軸向高度上波動(dòng)較小，可近似認(rèn)為基本維持恒定。隨著異丙醇水溶液濃度的增加，氣含率也隨著增加；

(2) 對(duì)于底部間隙為1.2和2.4 cm,底部間隙小的反應(yīng)器的氣含率高；

(3) 對(duì)于導(dǎo)流筒上同一徑向斷面上安裝的翅片數(shù)而言，氣含率的結(jié)果在表觀氣速小于0.931 cm/s時(shí)，3翅片的要比4翅片的大；而在表觀氣速大于0.931 cm/s時(shí)，4翅片的要比3翅片的大。

[1] 郭秋麗,趙德智,劉永民，等.氣升式環(huán)流反應(yīng)器特性參數(shù)的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工,2017,46(4):765-769.

[2] 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.

[3] 陳峰，唐訪良，張明，等.杭州市典型企業(yè)廢水中揮發(fā)性有機(jī)物排放特征及其評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34(12)：4649-4653.

[4] 葉慶國，席玉蕾，胡鴻賓.非均相恒沸精餾分離回收正丁醇的模擬與優(yōu)化[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2012，29(2)：46-50.

[5] 王爽,馬嘉楠,劉永民，等.旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器的局部氣、固含率研究[J].化工科技,2015,23(3):13-16.

[6] 李志敏，劉永民，謝嫘祖，等.旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器的氣含率軸向分布[J].化工進(jìn)展，2015,34(7):1826-1831.

[7] 李紅星.多相氣升式環(huán)流反應(yīng)器局部相含率和環(huán)流速度[J].化工進(jìn)展，2014，33(a1):117-122.

[8] 盧春喜.環(huán)流技術(shù)在石油煉制領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào),2010,61(9):2177-2185.

[9] 湯立新，呂效平，孔黎明.氣升式環(huán)流反應(yīng)器研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2002,21(11)：814-819.

[10] GHARIB J，MORAVEJI M K，DAVARNEJAD R，et al.Hydrodynamics and mass transfer study of aliphatic alcohols in airlift reactors[J].Chemical Engineering Research and Design，2013，91(5):925-932.

[11] 張文飛，王麗朋，劉永民.底部間隙對(duì)多室環(huán)流反應(yīng)器流動(dòng)特性的影響[J].2012，33(3)：1-3.

[12] 沈榮春,束忠明,黃發(fā)瑞,等.導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的影響[J].石油化工,2005,34(10):959-964.

[13] QIE S,GAO F,LIU C,et al.Effects of different draft baffles on the hydrodynamics in internal-loop airlift reactors[J].Transactions of Tianjin University,2015,21:446-452.

[14] 吳光啟，馬連湘，劉杰.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：581.

[15] 王維，李佑楚，石炎福.低分子量有機(jī)添加劑對(duì)內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器中氣含率和氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響[J].化工冶金，1999，20(2)：182-186.

[16] 楊海光，范軼，李飛，等.氣升式環(huán)流反應(yīng)器在不同體系下的循環(huán)液速和局部氣含率[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2003,17(1)：37-41.