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(yīng)器（ALR）問(wèn)世于20世紀(jì)50年代，是環(huán)流反應(yīng)器中應(yīng)用最為廣泛的一種，它是在強(qiáng)化鼓泡反應(yīng)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，即在鼓泡塔基礎(chǔ)上內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流裝置，形成獨(dú)立的上升區(qū)和下降區(qū)，以氣體為動(dòng)力，靠導(dǎo)流裝置的引導(dǎo)，形成氣液混合物的有序循環(huán)。導(dǎo)流裝置的引入使流場(chǎng)更加穩(wěn)定，將許多小的渦流循環(huán)強(qiáng)化成一個(gè)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(yīng)過(guò)程，是一類高效的處理氣-液、氣-液-固多相過(guò)程的接觸性反應(yīng)裝置。氣升式三相環(huán)流反應(yīng)器綜合了鼓泡塔和機(jī)械攪拌釜的優(yōu)良性能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件、易密封、造價(jià)低、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大等優(yōu)點(diǎn)，在化工、石油化工、生物化工和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

為了提高環(huán)流反應(yīng)器效率，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，人們正致力于改進(jìn)型和新型氣升式反應(yīng)器的探索和研究。可以通過(guò)改變外筒的形狀和高徑比、反應(yīng)器的外型、導(dǎo)流筒的形式、氣液分離區(qū)、底部的形狀和尺寸等結(jié)構(gòu)特性來(lái)提高反應(yīng)器的性能。近年來(lái)在對(duì)低高徑比（R=H/D≤3.0）的氣升式環(huán)流反應(yīng)器的研究報(bào)道中，馬曉建[1]等利用商用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，利用Euler-Euler雙流體模型，對(duì)低高徑比（H/D=1.67）的環(huán)流氣升式反應(yīng)器內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)及混合性能進(jìn)行研究，描述出反應(yīng)器內(nèi)氣含率和環(huán)流液速等參數(shù)的詳細(xì)分布。李飛[2]等在傳統(tǒng)的單級(jí)內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)流筒進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展了一種新型多級(jí)環(huán)流反應(yīng)器，研究了表觀氣速、開(kāi)孔率、反應(yīng)器底部結(jié)構(gòu)等操作參數(shù)對(duì)整體平均氣含率、局部氣含率以及各級(jí)環(huán)流液速等流體力學(xué)行為的影響，從而確定了反應(yīng)器的最佳結(jié)構(gòu)。

雖然氣升式環(huán)流反應(yīng)器在工業(yè)上已有所應(yīng)用，但在對(duì)高長(zhǎng)徑比三相環(huán)流反應(yīng)器（R=H/D≥7.0）的理論和其軸向分布研究甚少，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)行為尚缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，因此，本文對(duì)高長(zhǎng)徑比三相環(huán)流反應(yīng)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(jìn)行深入研究，以供有關(guān)方面參考。

表征環(huán)流反應(yīng)器流體力學(xué)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(cè)定這些參數(shù)對(duì)于研究環(huán)流反應(yīng)器來(lái)說(shuō)非常重要。本文介紹了這些參數(shù)的測(cè)定方法及其分布規(guī)律，這對(duì)高長(zhǎng)徑比環(huán)流反應(yīng)器的研究具有指導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(guān)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

在本實(shí)驗(yàn)中，采用空氣-水-石英砂為實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)原理

1.2.1 相含率測(cè)量方法

在高長(zhǎng)徑環(huán)流反應(yīng)器中，采用壓差法測(cè)量其相含率，將測(cè)壓點(diǎn)從管壁伸向?qū)Я魍矁?nèi)部，并開(kāi)放6個(gè)測(cè)孔，在環(huán)隙間開(kāi)兩個(gè)測(cè)孔。利用U形管壓差計(jì)測(cè)量相鄰兩測(cè)孔間壓差。在每?jī)蓚€(gè)測(cè)孔之間設(shè)置一處固體取樣孔，分別測(cè)量相對(duì)應(yīng)位置處的相對(duì)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(duì)于氣、液、固三相系統(tǒng)，先以容量法測(cè)量固體在液、固兩相中的相含率，即相對(duì)固含率ε'S。實(shí)驗(yàn)中先測(cè)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(shí)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(shí)驗(yàn)所用體系下，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到：

再用壓差計(jì)測(cè)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(jì)算式：式中，△h為壓差計(jì)讀數(shù)，△z為兩測(cè)壓點(diǎn)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(yīng)器的截面積。

實(shí)驗(yàn)中采用排水取氣法標(biāo)定轉(zhuǎn)子流量計(jì)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的校正流量可由式7計(jì)算：

1.2.4 循環(huán)液速

循環(huán)液速采用電導(dǎo)脈沖示蹤技術(shù)測(cè)定，電極安裝在反應(yīng)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(shí)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(shí)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(jié)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(shí)，表觀氣速為2.12cm·s-1、2.92cm·s-1、3.67cm·s-1時(shí)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(shí)，氣含率在軸向的分布基本保持不變；當(dāng)表觀氣速為3.67cm·s-1時(shí)，氣含率隨著軸向高度的增加而上下波動(dòng)。由圖2可知，裝載量為1.32%時(shí)，當(dāng)表觀氣速達(dá)到3.67cm·s-1時(shí)，氣含率達(dá)到最大值，此時(shí)物系的流動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)不穩(wěn)定，大量氣泡聚并，使得此時(shí)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(shí)的氣含率與其他兩條線的總體趨勢(shì)基本一致，氣含率在0.1602±0.0186范圍內(nèi)上下波動(dòng)。在較低的裝載量下，反應(yīng)器的流動(dòng)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(shí)，表觀氣速不同時(shí)，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(shí)，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(shí)，表觀氣速為2.12cm·s-1、2.92cm·s-1、3.67cm·s-1時(shí)固含率的軸向分布圖。在表觀氣速為2.12cm·s-1時(shí)固含率隨著軸向高度的增加先平緩上升后下降；當(dāng)氣速為2.92cm·s-1、3.67cm·s-1時(shí)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(yīng)器中先受到氣提力作用先做加速運(yùn)動(dòng)，上升一段距離后由于阻力的作用固體的運(yùn)動(dòng)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(yáng)起，但是反應(yīng)器的高度較大，被帶入上部的石英砂少，反應(yīng)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(shí)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(dòng)較大。這是由于隨著表觀氣速的增加，流體的推動(dòng)力增加，但石英砂密度較大，流動(dòng)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(dòng)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(yīng)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(dòng)較大[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）空氣-水-石英砂實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)物系中，固含率隨著軸向高度的增加而下降，當(dāng)裝載量增加時(shí)，軸向各部位處的固含率增加。

（3）空氣-水-石英砂實(shí)驗(yàn)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。