鼓泡床流體力學特性研究

宋寧寧，唐曉津，侯栓弟

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

鼓泡床流體力學特性研究

宋寧寧，唐曉津，侯栓弟

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

在直徑45 mm的鼓泡床冷態(tài)裝置中，以煤油作為液相，氮氣作為氣相，研究了氣含率、氣泡平均粒徑、兩相相間滑動速度的變化規(guī)律。結果表明：反應器內流體的流動處于氣泡聚并控制區(qū)，氣含率隨著兩相流速的增加而增加；氣泡平均粒徑隨著氣相表觀流速的增加而增加，隨著液相表觀流速的增加而降低。實驗發(fā)現,在相同的條件下，與較小直徑反應器相比，隨著反應器直徑的增大，氣泡聚并作用增強，氣含率下降，氣泡粒徑增大。

鼓泡床 流體力學 氣泡平均直徑 氣含率

石油資源的日益匱乏，劣質重質油品如渣油的加工越來越受到重視。鼓泡床技術的催化劑用量少、投資低、反應器不易堵塞，適合于處理雜質含量高的渣油。鼓泡床反應器中，催化劑顆粒細小(一般為幾十微米，理想的粒徑為納米級)，與液相可以均勻混合成為漿液，催化劑用量遠小于其它類型反應器。鼓泡床反應器技術在石油和化工領域有著比較廣泛的應用[1]，但由于鼓泡床反應器涉及氣液固三相反應體系，因而反應器內流體的流動狀況復雜，并且對反應過程有著非常重要的影響，因而在實際工業(yè)應用中，鼓泡床反應器的設計和放大比較困難。在鼓泡反應器內，氣相以氣泡的形式存在，根據氣相流量由小變大，反應器內的流場流型會由均勻鼓泡過渡至湍動鼓泡區(qū)[2-3]。因此，研究氣相的流動行為對于認識鼓泡床內的流體力學規(guī)律具有重要意義。本課題擬研究冷態(tài)條件下，鼓泡床反應器內部氣液兩相流體流動的特性和反應器尺寸放大效應的影響，以期為鼓泡床反應器的工業(yè)應用提供基礎數據。

1 實 驗

1.1 實驗裝置及操作參數

鼓泡床反應裝置示意如圖1所示，裝置包括反應器與氣液分離器兩部分。反應器高度1 800 mm，反應器上部的擴大段部分內徑75 mm、高390 mm，下部的主體部分內徑45 mm、高1 410 mm；氣液分離器內徑75 mm、高400 mm。反應器進出口外徑6 mm。流體入口距反應器底部50 mm。在反應器底部裝有約100 mm的瓷球層，用于分散氣泡，避免出現氣相節(jié)涌。

圖1 鼓泡床反應裝置示意1-氣液分離器；2-反應器液面；3-氣泡；4-反應器；5-瓷球層

1.2 實驗方法

采用煤油-氮氣體系，暫忽略固體對流體特性的影響，直接采用液相來模擬反應體系中的漿液。氣液體系的表面張力為0.026 4 Nm。煤油的密度為774 kgm3，煤油的黏度為0.001 2 Pas。氮氣的密度為1.19 kgm3，氮氣的黏度為173 mPas。實驗在常溫常壓下進行，液相表觀流速(ul)變化范圍為0.000 148～0.006 170 ms，氣相表觀流速(ug)變化范圍為0.001 26～0.018 90 ms。鼓泡床中，催化劑與液相混合是反應器內的連續(xù)相，而氣相是分散相，以氣泡的形式與連續(xù)相接觸，并通過反應器。氣泡直徑由攝相法測定，氣含率通過體積膨脹法計算得到。

2 結果與討論

2.1 反應器內的流型

圖2 反應器內氣泡的分布(ul=0.000 148 ms)

圖3 反應器內氣泡的分布(ug=0.002 52 ms)

不同液相表觀流速條件下，氣含率(φ)隨氣相表觀流速的變化見圖4。由圖4可見：在液相表觀流速不變的條件下，氣含率隨著氣相表觀流速的增加呈線性增加趨勢；在氣相表觀流速不變的條件下，氣含率隨著液相表觀流速的增加呈增大的趨勢。

圖4 氣含率與氣相表觀流速的關系ul， (ms)：■—0.000 148； ●—0.000 617； ▲—0.001 23；； ◆—0.006 17。 圖5～圖6同

根據文獻[4-5]，通過分析相間滑動速度(Vs)與氣含率(φ)之間的關系，可以確定鼓泡床內的氣泡聚并或者破碎行為的影響，Vs可由式(1)計算得到。

(1)

相間滑動速度與氣含率的關系見圖5。由圖5可見：只有在液相表觀流速最低的實驗條件下，相間滑動速度隨著氣含率的增加而降低，此時鼓泡床內的流動受到氣泡分散控制；其它相間滑動速度隨著氣含率的增加呈增加的趨勢，可以確定反應器內的流動受到氣泡聚并控制。對圖5的數據進行處理，結果與圖2和圖3反映的氣泡分布情況基本相符，即在兩相流速很低的情況下，氣泡的數量很少，彼此的相互作用很弱，發(fā)生聚并的可能性小，氣泡尺寸較小，以氣泡分散為主，流動處于分散鼓泡區(qū)；隨著兩相流速的增加，氣泡的數量迅速增加，彼此之間的聚并產生大氣泡的可能性大大增加，氣泡的尺寸差別較大，此時反應器內受到氣泡聚并控制，流動處于湍流鼓泡區(qū)。

圖5 相間滑動速度與氣含率的關系

2.2 氣泡平均粒徑

鼓泡床內，氣泡的平均粒徑采用Sauter平均粒徑d32來表示，如式(2)所示。

(2)

平均粒徑與氣相表觀流速的關系見圖6。由圖6可見，在液相表觀流速不變的條件下，平均粒徑基本隨氣相表觀流速的增加而增加。在液相表觀流速為0.006 17 ms時，平均粒徑首先隨氣相表觀流速的增加而增加，達到最大值后隨著氣相表觀流速的增加而降低。這一現象有待在后續(xù)實驗中進一步研究。從圖6還可以看出，在氣相表觀流速不變的條件下，平均粒徑基本隨著液相表觀流速的增加而降低。這是因為隨著液相表觀流速的增加，實驗體系的機械能輸入水平提高，從而導致反應器內形成更多的氣泡，以完成機械能的轉化，實現機械能與表面能之間的平衡。

圖6 平均粒徑與氣相表觀流速的關系

2.3 反應器的放大效應

在反應器直徑為45 mm和25 mm、液相表觀流速為0.000 148 ms和0.000 120 ms的條件下，反應器直徑對氣含率的影響見圖7。由圖7可見，反應器直徑增大，導致氣含率明顯降低。

圖7 反應器直徑對氣含率的影響■—45 mm、0.000 148 ms； ●—25 mm、0.000 120 ms。圖8、圖9同

在反應器直徑為45 mm和25 mm、液相表觀流速為0.000 148 ms和0.000 120 ms的條件下，反應器直徑對相間滑動速度的影響見圖8。由圖8可見，小反應器內流動處于氣泡分散控制的均勻鼓泡區(qū)，而大反應器內的流動逐漸由氣泡分散控制的均勻鼓泡區(qū)過渡到氣泡聚并控制的湍動鼓泡區(qū)。這也可從圖2得到驗證。

圖8 反應器直徑對相間滑動速度的影響

在反應器直徑為45 mm和25 mm、液相表觀流速為0.000 148 ms和0.000 120 ms的條件下，反應器直徑對氣泡平均粒徑的影響見圖9。由圖9可見，大反應器氣泡的平均粒徑明顯高于小反應器氣泡的平均粒徑。由于大反應器內氣泡聚并作用強，導致氣泡粒徑增大，在反應器內的停留時間減少，從而使得氣含率降低。而大氣泡的產生，又使得反應器內的流動由原來的均勻鼓泡區(qū)過渡到湍流鼓泡區(qū)。

圖9 反應器直徑對氣泡平均粒徑的影響

3 結 論

(1)采用氮氣-煤油體系，研究了鼓泡床反應器的流體力學特性。實驗結果表明，氣含率隨著兩相流速的增加而增加；氣泡平均粒徑隨著氣相表觀流速的增加而增加，隨著液相表觀流速的增加而降低。反應器的兩相流動基本處于湍動鼓泡區(qū)。

(2)相間滑動速度在多數情況下隨著氣含率的增加呈增加的趨勢，反應器內的流動受到氣泡聚并控制。在相同的操作條件下，隨著反應器直徑的增大，兩相的流體力學特性顯著不同，氣泡聚并作用增強，氣含率下降，氣泡平均粒徑增大。

[1] Tang Xiaojin，Hou Shuandi，Zhang Zhanzhu. Influence of gas density on hydrodynamics in a bubble column[J]. China Petroleum Processing and Petrochemical Technology, 2014，16(1)：66-70

[2] Zahradnik J，Fialova M，Drahos J，et al. Duality of the gas-liquid flow regimes in bubble reactors[J]. Chemical Engineering Science,1997，52(2122)：3811-3826

[3] Krishna R，Sie S. Design and scale-up of the Fischer-Tropsch bubble slurry reactor[J]. Fuel Processing Technology, 2000，64(4)：73-105

[4] Simonnet M，Gentric C，Olmos E，et al. Experimental determination of the drag coefficient in a swarm of bubbles[J]. Chemical Engineering Science, 2007，62(3)：858-866

[5] Tang Xiaojin，Luo Guangsheng，Li Hongbo，et al. Two-phase flow characteristics in a coalescence-dispersion pulsed-sieve-plate extraction column[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2004，12(1)：1-6

HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS IN BUBBLE COLUMNS

Song Ningning， Tang Xiaojin， Hou Shuandi

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The changing rules of gas holdup， Sauter mean diameter(SMD)of bubbles， slip velocity between gas and liquid phases of nitrogen-kerosene system in a cold bubble column with a diameter of 45 mm were investigated.The experimental results show that in the bubble coalescence control region， the average gas holdup increases as the velocity of the gas and liquid phase increases， the SMD of bubbles increases with increasing the gas velocity， but decreases with the increased liquid velocity.Under the same conditions， compared with the results in smaller column， larger reactor has the stronger bubble coalescence effect and larger bubble diameter， while the gas holdup is reduced.

bubble column； hydrodynamics； SMD of bubbles； gas holdup

2016-06-03；修改稿收到日期：2016-08-22。

宋寧寧，碩士，工程師，主要從事催化裂化工藝的研究工作。

唐曉津，E-mail：tangxj.ripp@sinopec.com。