高長徑比三相環(huán)流反應器的相含率研究

李婷

（中科合成油工程有限公司，北京 101407）

0 引言

氣升式環(huán)流反應器（ALR）問世于20世紀50年代，是環(huán)流反應器中應用最為廣泛的一種，它是在強化鼓泡反應器基礎上發(fā)展起來的，即在鼓泡塔基礎上內(nèi)增設導流裝置，形成獨立的上升區(qū)和下降區(qū)，以氣體為動力，靠導流裝置的引導，形成氣液混合物的有序循環(huán)。導流裝置的引入使流場更加穩(wěn)定，將許多小的渦流循環(huán)強化成一個總的循環(huán)，提高了能量效率，從而大大改善了相間混合與接觸條件，有利于傳質(zhì)和反應過程，是一類高效的處理氣-液、氣-液-固多相過程的接觸性反應裝置。氣升式三相環(huán)流反應器綜合了鼓泡塔和機械攪拌釜的優(yōu)良性能，具有結構簡單、無機械傳動部件、易密封、造價低、易實現(xiàn)工業(yè)放大等優(yōu)點，在化工、石油化工、生物化工和環(huán)境工程等領域得到了廣泛應用。

為了提高環(huán)流反應器效率，擴大其應用范圍，人們正致力于改進型和新型氣升式反應器的探索和研究。可以通過改變外筒的形狀和高徑比、反應器的外型、導流筒的形式、氣液分離區(qū)、底部的形狀和尺寸等結構特性來提高反應器的性能。近年來在對低高徑比（R=H/D≤3.0）的氣升式環(huán)流反應器的研究報道中，馬曉建[1]等利用商用計算流體力學軟件Fluent，利用Euler-Euler雙流體模型，對低高徑比（H/D=1.67）的環(huán)流氣升式反應器內(nèi)的氣液兩相流動及混合性能進行研究，描述出反應器內(nèi)氣含率和環(huán)流液速等參數(shù)的詳細分布。李飛[2]等在傳統(tǒng)的單級內(nèi)環(huán)流反應器的基礎上，對導流筒進行了改進，發(fā)展了一種新型多級環(huán)流反應器，研究了表觀氣速、開孔率、反應器底部結構等操作參數(shù)對整體平均氣含率、局部氣含率以及各級環(huán)流液速等流體力學行為的影響，從而確定了反應器的最佳結構。

雖然氣升式環(huán)流反應器在工業(yè)上已有所應用，但在對高長徑比三相環(huán)流反應器（R=H/D≥7.0）的理論和其軸向分布研究甚少，對其內(nèi)部流動行為尚缺乏系統(tǒng)的認識，因此，本文對高長徑比三相環(huán)流反應器在不同石英砂裝載量下的氣含率、固含率的局部和軸向分布，液體循環(huán)速度進行深入研究，以供有關方面參考。

表征環(huán)流反應器流體力學行為的主要參數(shù)包括氣含率、循環(huán)液速、固含率、氣泡大小及速度等，測定這些參數(shù)對于研究環(huán)流反應器來說非常重要。本文介紹了這些參數(shù)的測定方法及其分布規(guī)律，這對高長徑比環(huán)流反應器的研究具有指導意義。本文考察了表觀氣速的范圍為1.32～4.92cm·s-1，以空氣-水-石英砂為實驗物系，在靜液高為1600mm，石英砂裝載量w分別為1.32%、2.61%、5.14%、7.59%條件下，考察了平均氣含率、上升區(qū)氣含率、下降區(qū)固含率、循環(huán)液速與表觀氣速和固體裝載量的關系，并主要研究了上升區(qū)氣含率、上升區(qū)固含率的軸向分布情況[3]。

1 實驗部分

1.1 實驗條件

在本實驗中，采用空氣-水-石英砂為實驗體系，石英砂裝載量w分別為1.32%、2.61%、5.14%和7.51%，在表觀氣速為1.31～4.92cm·s-1的范圍內(nèi)進行實驗，靜液高160cm，底部間隙為1.7cm，固體密度為2.653g·cm-3，溫度范圍為14～16℃。

1.2 實驗原理

1.2.1 相含率測量方法

在高長徑環(huán)流反應器中，采用壓差法測量其相含率，將測壓點從管壁伸向?qū)Я魍矁?nèi)部，并開放6個測孔，在環(huán)隙間開兩個測孔。利用U形管壓差計測量相鄰兩測孔間壓差。在每兩個測孔之間設置一處固體取樣孔，分別測量相對應位置處的相對固含率ε'S，共有5處上升區(qū)的固體取樣孔，1處下降區(qū)的固體取樣孔。

對于氣、液、固三相系統(tǒng)，先以容量法測量固體在液、固兩相中的相含率，即相對固含率ε'S。實驗中先測量石英砂在水中的空隙率η，首先稱量石英砂的質(zhì)量，石英砂的固體密度已知為2.653g·cm-3，即可得到石英砂的真實顆粒總體積VT，將石英砂與水混合放入固體取樣器中讓石英砂自由沉降到取樣器的底部，并讀出固體在液體中的堆積體積VS，即得到空隙率η。

取樣分析得到固、液總體積Vls和固體在液體中自由沉降的堆積體積VS，在本實驗所用體系下，實驗標定得到：

再用壓差計測量壓力分布，與液相中的固含率聯(lián)立求解，得到三相體系中氣含率和固含率的計算式：式中，△h為壓差計讀數(shù)，△z為兩測壓點間距離，ρs、ρc和ρl分別為石英砂、四氯化碳和水的密度。

1.2.2 平均氣含率

式中，hgls為氣液固的總高度，hls為液固總高度。

1.2.3 表觀氣速

式中，Ugs為表觀氣速，Q為校正后空氣的流量，Sre為反應器的截面積。

實驗中采用排水取氣法標定轉(zhuǎn)子流量計。轉(zhuǎn)子流量計的校正流量可由式7計算：

1.2.4 循環(huán)液速

循環(huán)液速采用電導脈沖示蹤技術測定，電極安裝在反應器的距底部高27.8cm處伸向上升區(qū)，示蹤劑（飽和氯化鉀溶液）在電極的上部孔處瞬時注入到下降區(qū)，根據(jù)記錄儀記錄的兩峰間距得出循環(huán)時間tc；根據(jù)連續(xù)性方程與上升區(qū)、下降區(qū)氣含率得出液體速度。

式中，hls為靜液高，Ulr為上升區(qū)的液體循環(huán)速度，Uld為下降區(qū)的液體循環(huán)速度，Sr為上升區(qū)截面積，Sd為下降區(qū)截面積。

2 結果與討論

2.1 氣含率

氣含率軸向分布：圖1是空氣-水-石英砂物系中，石英砂裝載量w為1.32%時，表觀氣速為2.12cm·s-1、2.92cm·s-1、3.67cm·s-1時上升區(qū)氣含率的軸向分布圖。在表觀氣速為2.12cm·s-1，2.92cm·s-1時，氣含率在軸向的分布基本保持不變；當表觀氣速為3.67cm·s-1時，氣含率隨著軸向高度的增加而上下波動。由圖2可知，裝載量為1.32%時，當表觀氣速達到3.67cm·s-1時，氣含率達到最大值，此時物系的流動狀態(tài)已經(jīng)不穩(wěn)定，大量氣泡聚并，使得此時的氣含率沿著軸向分布不均勻，這與圖3.1.2中的狀況是相符的。但此時的氣含率與其他兩條線的總體趨勢基本一致，氣含率在0.1602±0.0186范圍內(nèi)上下波動。在較低的裝載量下，反應器的流動阻力小，氣體在上升區(qū)中沿軸向分布均勻[4]。

圖1 固體裝載量1.32%時，表觀氣速不同時，上升區(qū)氣含率軸向分布圖

圖2 固體裝載量1.32%，表觀氣速不同時，上升區(qū)固含率的軸向分布

2.2 固含率

固含率的軸向分布：

圖2是空氣-水-石英砂物系中，石英砂裝載量w為1.32%時，表觀氣速為2.12cm·s-1、2.92cm·s-1、3.67cm·s-1時固含率的軸向分布圖。在表觀氣速為2.12cm·s-1時固含率隨著軸向高度的增加先平緩上升后下降；當氣速為2.92cm·s-1、3.67cm·s-1時固含率隨著軸向高度的增加而近似呈S形分布。這是由于固體顆粒在反應器中先受到氣提力作用先做加速運動，上升一段距離后由于阻力的作用固體的運動狀態(tài)趨于平衡狀態(tài)，并且此體系下的石英砂裝載量小，固體易被揚起，但是反應器的高度較大，被帶入上部的石英砂少，反應器的中部和下部的固體顆粒居多[5]。

2.3 循環(huán)液速

表觀氣速的影響：

圖3是空氣-水-石英砂物系中，石英砂裝載量w為1.32%、2.61%、5.14%、7.59%時循環(huán)液速隨表觀氣速的變化規(guī)律。隨著表觀氣速的增加，循環(huán)液速的變化很小。在低氣速下（Ugs≤1.63cm·s-1），循環(huán)液速隨著固體裝載量的增加而降低，在高氣速下，循環(huán)液速隨著固體裝載量的增加波動較大。這是由于隨著表觀氣速的增加，流體的推動力增加，但石英砂密度較大，流動阻力較大，故循環(huán)液速的變化很小。在低氣速下，隨著固體裝載量的增加，流動阻力增大，循環(huán)液速變化很小；在高氣速下，隨著固體裝載量的增加，反應器內(nèi)的固體分布不均，阻礙了液體循環(huán)，故循環(huán)液速波動較大[6]。

3 結語

（1）空氣-水-石英砂實驗物系中，一定氣速下，裝載量越小，氣含率沿軸向分布越均勻，裝載量越大，固體沿軸向分布不均。

（2）空氣-水-石英砂實驗物系中，固含率隨著軸向高度的增加而下降，當裝載量增加時，軸向各部位處的固含率增加。

（3）空氣-水-石英砂實驗物系中，在一定氣速下，循環(huán)液速隨著固體裝載量的增加而降低。