姜　華，馬敬洪

(1.邵陽市燃氣管理辦公室，湖南 邵陽　422001；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津　300074)

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蒽醌法新型工作液加氫反應(yīng)器特性研究

姜華1，馬敬洪2

(1.邵陽市燃氣管理辦公室，湖南 邵陽422001；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津300074)

摘要：針對蒽醌法制造過氧化氫使用的新型工作液體系，開發(fā)并采用先進的局部流動特性參數(shù)測定系統(tǒng)，對加氫反應(yīng)器中的擴散系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)等局部流動特征參數(shù)進行了實驗測定，考察了其隨液體性質(zhì)和操作參數(shù)的變化規(guī)律，為新型工作液體系的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：蒽醌法；擴散系數(shù)；傳質(zhì)系數(shù)；傳熱系數(shù)

過氧化氫是一種重要的綠色化工原料。蒽醌法是生產(chǎn)過氧化氫的主要方法[1-3]。由于2-乙基蒽醌在有機溶劑中的溶解度較低，很多學者對蒽醌法生產(chǎn)過氧化氫工藝進行改進工作的研究，包括催化加氫反應(yīng)動力學、新工作載體在各種有機溶劑中的溶解度測定等[4，5]。本文研究的新型工作液體中的烷基蒽醌采用2-戊基蒽醌，有機溶劑采用TMB(四甲基聯(lián)苯胺)/DIBC(二異丁基甲醇)混合溶劑[6，7]。針對新型的工作液體系，加氫過程的反應(yīng)器中的的傳遞特性會直接影響化學反應(yīng)的進行[8，9]。本文采用實驗對蒽醌法加氫反應(yīng)器的擴散、傳質(zhì)和傳熱特性進行研究，為新型工作液體系的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1測定系統(tǒng)

實驗裝置如圖1所示。反應(yīng)器內(nèi)徑100mm，高1500mm，液體由底部經(jīng)預(yù)分布段，再經(jīng)分布板流入反應(yīng)器內(nèi)；預(yù)分布段有兩段，每段高各為150mm。液體先經(jīng)過下面的預(yù)分布段后再經(jīng)上段預(yù)分布段中的細玻璃管進入流化床內(nèi)；分布板上覆蓋著兩層200目的不銹鋼金屬絲網(wǎng)。流化床頂部擴大段是自由沉降區(qū)。液體入塔之前經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計準確計量。氣體可經(jīng)上面的預(yù)分布段，分布板進入反應(yīng)器內(nèi)；分布板上覆蓋著兩層200目的不銹鋼金屬絲網(wǎng)。氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計計量，通過測量氣體壓力和溫度，進行計量壓力和溫度校正。反應(yīng)器床層中流化介質(zhì)裝填高度依據(jù)床層特性及具體試驗而定。

利用氧含量測試系統(tǒng)和微電極測試系統(tǒng)，對加氫反應(yīng)器中液固傳質(zhì)系數(shù)進行了實驗測定。采用擴散極限電流法測定反應(yīng)器中局部和瞬態(tài)的傳質(zhì)系數(shù)，電解質(zhì)溶液采用0.001mol·l-1等摩爾的鐵氰化鉀和亞鐵氰化鉀溶液，外加0.02mol·l-1的NaOH作為支撐電解質(zhì)。

研制出微型溫度參數(shù)測定系統(tǒng)，對加氫反應(yīng)器中溫度分布進行了實驗測定，并結(jié)合熱通量計算得出傳熱系數(shù)的大小，研究了反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)對其影響規(guī)律。

實驗采用脈沖響應(yīng)法，以飽和的KCl水溶液為示蹤液測定其在反應(yīng)器內(nèi)部的數(shù)，以反映液相返混特性。

圖1　加氫反應(yīng)器試驗裝置與流程1空氣壓縮機；2氣體流量計；3測試儀表；4液體分布器5氣體分布器；6反應(yīng)器；7儲液槽8；加熱器和控制儀表；9液體循環(huán)泵；10液體流量計；11差壓傳感器

2結(jié)果與討論

2.1　液相擴散特性

加氫反應(yīng)器中液相軸向擴散的主要原因是氣泡及尾渦的軸向運動。氣泡上升過程中，其尾渦不斷的吸入和放出液體和顆粒，尾渦中所夾帶的液體和顆粒速度比其他部分大，導(dǎo)致液相混合，這種返混運動的程度取決于氣泡和尾渦的大小以及氣泡的相對速度(Ug-Ul)，氣泡和尾渦的尺寸越大，液相返混越劇烈。

圖2列出了不同液體粘度對液相軸向擴散的影響，由此可知隨著液體粘度的增加，軸向擴散系數(shù)減小，這是因為，液相粘度的增加，使得氣泡上升速度減慢，固體顆粒擺動速度變小，使液體湍動程度減弱，導(dǎo)致液相擴散系數(shù)減小，同時可知，擴散系數(shù)均隨液速的增大而增加。

圖3可見隨著液體表面張力的減小，液相軸向擴散系數(shù)增大。這可能是由于在低表面張力下，有助于抑制氣泡的聚并，增加了氣含率，使床層內(nèi)的擾動加劇。同時可見，隨表觀氣速的增加，擴散系數(shù)增大。這主要是由于氣速的增加，氣泡尾渦增大，使得床層擾動劇烈，軸向擴散系數(shù)增大。

圖2　液體粘度對反應(yīng)器中軸向擴散系數(shù)影響(Ug=1.77mm/s)

圖3　不同表面張力下軸向擴散系數(shù)隨表觀氣速的變化(Ul=1.42mm/s)

2.2　液固傳質(zhì)特性

圖4給出了在不同的液體粘度下液固傳質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著液體粘度的增加，液固傳質(zhì)系數(shù)減小。這可能是由于液體粘度的增加，分子擴散系數(shù)變小，同時由于傳質(zhì)邊界層變厚，因此，液固傳質(zhì)系數(shù)減小。隨著液速的增加，傳質(zhì)系數(shù)基本上保持不變。

圖4　液體粘度對液固傳質(zhì)系數(shù)的影響(Ug=1.77mm/s，80～120μm)

圖5給出了三種不同的表面張力下液固傳質(zhì)系數(shù)隨氣體表觀速度的變化情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著液體表面張力的減小，液固之間的傳質(zhì)系數(shù)增大。這可能是由于表面張力的減小，能夠遏制氣泡聚并，增加氣含率。更多細小的氣泡加劇了液相主體的湍動，導(dǎo)致了液固傳質(zhì)系數(shù)的增加。

圖5　液體表面張力對液固傳質(zhì)系數(shù)的影響(Ul=1.42mm/s，80～120μm)

圖6　不同顆粒粒徑下液固傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速的變化(Ul=1.42mm/s)

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，以大顆粒為固相的液固傳質(zhì)系數(shù)比以小顆粒為固相的液固傳質(zhì)系數(shù)有顯著增加。這主要可能是由于以大顆粒為固體相的床層，顆粒相間的液體湍動程度有可能大于小顆粒粒徑的，造成傳質(zhì)邊界層厚度減?。煌瑫r由于液體湍動速度的增加，溶液內(nèi)部的新鮮液體不斷的帶到電極表面上來，表面的更新速率加快了，因此，液固之間的傳質(zhì)系數(shù)增加。

2.3　液固傳熱特性

圖7可知，液固傳熱系數(shù)隨液相粘度增加而減小，同時液固傳熱系數(shù)隨液體表觀速度的增加而增加。從圖8中可以看出在同一操作條件下，液固傳熱系數(shù)隨液體表面張力的減小而增大。傳熱系數(shù)從低到中的表觀氣速范圍增加比較明顯，高的氣速下增加量較小。

3結(jié)論

研究得到了蒽醌法加氫反應(yīng)器的傳遞性質(zhì)。結(jié)果表明，液相擴散系數(shù)、液固傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)均隨粘度和表面張力的增加而減小。表觀液體速度和氣體速度對擴散系數(shù)和傳熱系數(shù)的影響較明顯，隨之一同增大。顆粒粒徑大的體系的液固傳質(zhì)系數(shù)較大。本文所用測定系統(tǒng)和方案為新型工作液體系的開發(fā)研究和實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

圖7　液相粘度對液固傳熱系數(shù)的影響

圖8　不同表面張力下液固傳熱系數(shù)隨表觀氣速的變化

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Characteristic Research on New-style Working Solution HydrogenationReactor in Hydrogen Peroxide Plant by Anthraquinone Process

JIANGHua1，MA Jin-hong2

(1. Shaoyang Gas Administration Office，Shaoyang，422001；2. North China

Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin，300074)

Abstract：An Experimental test is made for new-style working solution hydrogenation reactor in hydrogen peroxide plant by anthraquinone process so as to study its flow characteristics. This provides a guide on the application of new-style working solution.

Key words：anthraquinone process；diffusion coefficient；coefficient of mass transfer；coefficient of heat transfer

中圖分類號：TQ241.5

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6490(2015)01-0082-03

作者簡介：姜華(1967-)，女，漢族，畢業(yè)于重慶建工學院城建系燃氣專業(yè)，工程師，主要叢事燃氣管理技術(shù)工作。

收稿日期：2015-02-26