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        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*

        2017-03-15 00:57:18劉永民
        化工科技 2017年6期
        關(guān)鍵詞:含率氣速異丙醇

        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力,使氣體和液體充分混合并使液體有規(guī)則循環(huán)流動的氣液接觸裝置。該反應(yīng)器是在強化鼓泡反應(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改變流動方向進而增加氣液兩相的湍動與混合,并會促進氣泡的破碎與聚并,從而強化了反應(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、流動與混合、傳熱性能以及反應(yīng)器放大設(shè)計的重要特性參數(shù)[7]。目前對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旋流反應(yīng)器的平均氣含率和上升區(qū)局部氣含率進行了實驗研究,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)以及醇類體積分數(shù)等對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 實驗部分

        1.1 旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實驗流程

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

        實驗用旋流氣升式環(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個翅片的簡稱“3翅片導(dǎo)流筒”,每組有4個翅片的簡稱“4翅片導(dǎo)流筒”,每個導(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)件材料為有機玻璃。反應(yīng)器內(nèi)氣體、液體的流動參見文獻[5]。

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

        1.2 實驗條件

        常溫常壓下,實驗表觀氣速范圍為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[5-6]的研究結(jié)果選定底部間隙為1.2 cm和2.4 cm;實驗物系中氣相為空氣,液相分別為水,體積分數(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 實驗原理

        1.3.1 整體平均氣含率的測定

        反應(yīng)器的總體平均氣含率(εt)采用體積膨脹法測量,計算公式見式(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

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

        (2)

        式中,Δz為上升區(qū)兩測壓點距離;Δh為在兩個測壓點間安裝的壓差計讀數(shù);ρc、ρL分別為指示劑和實驗用液體的密度。

        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)域的流動阻力越小,液體流動速度就增大[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)不同時反應(yīng)器平均氣含率隨表觀氣速的變化

        由圖3可見,對于三種體積分數(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,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、體積分數(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;這是由于在表觀氣速一定時,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)象隨時發(fā)生,使氣含率小幅度上下波動。從圖5還可看出,在軸向高度(H)一定時,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,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;而對于φ(乙醇)=1%和φ(正丁醇)=1水溶液物系在H>90 cm時,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)流筒翅片不同時上升區(qū)局部氣含率隨表觀氣速的變化

        由圖7可見,對于兩個翅片結(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,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4翅片導(dǎo)流筒的要比3翅片的大。這是因為在表觀氣速較小時,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,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較小,可近似認為基本維持恒定。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,3翅片的要比4翅片的大;而在表觀氣速大于0.931 cm/s時,4翅片的要比3翅片的大。

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