气_液_固三相循环流化床局部相含率分布
3气液固三相流化床反应器
三相流化床简介、结构及工作原理 三相流化床流体力学的研究 三相流化床传质的研究 三相流化床传热的研究 三相流化床新领域的开发应用
三相流化床简介
气-液-固三相反应工程是化学反应工程领域中 最令人感兴趣的领域之一。与传统的气-固相催化 反应器相比，在气-液-固三相反应器中，由于有 液相作为热载体和对固体催化剂的悬浮作用，使 反应和传递性能有很大的改进。三相流化床具有 高效传质的特点，适用于化学吸收、除尘等多种 场合。在流化床反应器中，液体自下而上运动， 会同气体的悬浮作用，使固体颗粒在反应器内呈 均匀流动状态。
三相流化床的结构及工作原理
流化床气液固三相反 应典型流程
2.恒温糟 3.供气系 统 4.碳酸钙粉末 添加装置 5.多孔 挡板 6. 补料槽 7. 蠕动泵 8.出气并 出料口
图1 三相流化床生物反应器
三相流化床的结构及工作原理
操作条件对压降的影响
2.uL对压降的影响
图3显示了在几种气速下不同 的uL对的影响。从图中可以看出， 在其它条件不变的情况下，△p随 着uL的增加而略有下降。由于液体 与气体并流，所以液体对固体颗粒 的流化起到了促进作用，uL值越大， 促进作用越强，相对来说气体对流 化作用就有所减弱，而床层流化程 度的上升必定造成△p的下降。同 时流化程度的增加，使得气泡聚并 的机会减少，则气含率就会有所增 加，引起床层混合平均密度下降， 也造成床层压降的降低。
实验流程
反应装置如右图1所示。反应 器为一直径0.07m，高1.0m的透明 有机玻璃塔，在0.49m处设有45o锥 角，高度0.05m的锥体；0.54m以 上为直径0.14m的扩大段。冷态实 验中气相为空气，液相为水，因相 为100~180目的砂子。实验时按事 先所确定的因含率加入适量的砂子。 气体则由一台小型风机经缓冲计量 后由反应器底部侧面进入，并通过 气体分布板进入反应器，在反应器 上端扩大段(使气液两相易于分离) 气液分离后放空。液体经流量计计 量后，由反应器底部经分布器进入 反应器并与气体并流，在反应器上 端扩大段，经溢流口过滤后排出。
测定气-液-固搅拌槽内相含率分布取样法的改进
关 键词 ： 三相搅 拌槽 ； 取样 法 ； 局 部相含 率 ； 轴径 向分布
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｑ ０ ２ ７ ． ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ５ — ２ ５ １ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ — ０ ０ ８ ０ — ０ ６ Ｄ Ｏ １ ： １ ０ ． １ １ ８ ７ ２ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — ２ ５ １ ８ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ８ ０
法， 由于 该 方 法操 作 简 单 、 直 接 且 结 果 较 可靠 而 存 局 部 相 含率 检 测 中获 得 了广 泛 应用 ｌ 规 】 １ ， 常 用 于两
分散相（ 气 泡 和 固体 颗 粒 ） 局部 相 含 率 分 布是 反 应 器 内部特 性信 息最 直接 和有 效 的反 映 ， 是 多相 反 应 器分 析 、 选 型及设 计 的关键 参 数 Ｉ １ 。 以往研 究
１ ． 中 国矿 业 大 学 （ 北京 ） 化学 与环 境 工 程 学 院 ， 北 京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ； ２ ． 中 国科 学 院过 程 工 程 研究 所 绿 色 过 程 与 工 程重 点 实 验 室 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ ０
摘 要： 在４ Ｌ ＿ ｒ － 冶金 和环 境保 护等 领 域应 用十分 广 泛的 气一 液一 固三相搅 拌 槽反 应 器 由于缺 少基础 实验 数
液一液 一 固三 相体 系 中相含 率 分 布 。 目前 ， 尚未发 现 将 取样 法 应 用 于 含 气 相 多 相 体 系 的 相 含率 分 布 测 定 的实 例 ， 其 困难 在 于 ： ① 含 气 体 系 中气 体 整体
上 向上 运 动 ， 常 用 的切 向取 样 法 会 漏 掉 很 多 气 泡 ；
化学反应工程第九章气液固三相反应工程资料
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2. 鼓泡淤浆床三相反应器的特征 鼓泡淤浆床反应器（Bubble Column Slurry
Reactor,简称BCSR）的基础是气-液鼓泡反应器， 即在其中加入固体，往往文献中将鼓泡淤浆床反 应器与气-液鼓泡反应器同时进行综述。
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1—入口扩散器； 2—气液分离器； 3—去垢篮筐； 4—催化剂支持盘； 5—催化剂连通管； 6—急冷氢箱及再分配盘； 7—出口收集盘； 8—卸催化剂口； 9—急冷氢管
图（例9-1-1）热壁式加氢裂化反应器
（二）悬浮床气-液-固三相ห้องสมุดไป่ตู้应器
固体呈悬浮状态的悬浮床气-液-固三相反应器一般 使用细颗粒固体，有多种型式，例如:
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工业滴流床反应器优点
气体在平推流条件下操作，液固比（或液体滞留量） 很小，可使均相反应的影响降至最低；
气-液向下操作的滴流床反应器不存在液泛问题； 滴流床三相反应器的压降比鼓泡反应器小。
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工业滴流床反应器缺点
在大型滴流床反应器中，低液速操作的液流径向分布 不均匀，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热， 催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催化剂存在明显的内 扩散影响；
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温度
加氢裂化是放热反应，温度升高可以提高反 应速率常数，但对加氢反应的化学平衡不利， 原料油越重，氮含量越高，反应温度要越高， 但过高的反应温度会增加催化剂表面的积炭。
例如，对于轻循环油加氢过程，当原料油含氮
（质量分数）分别为0.04%，0.1%及0.16%时， 反 应 温 度 分 别 为 355 ～ 365℃ ， 385 ～ 395℃ 及 430～435℃。
三相环流浆态反应器高固含下固含率的径向分布
引 言
气升式浆态环流反应器具有结构简单、无机械传动部件、易密封、造价低、容易实现工 业放大等优点，在石油化工，能源化工，生物化工领域均有广泛的应用[1]。随着能源形势的 日趋紧张， 环流反应器在煤液化、 浆态床合成甲醇和一步法合成二甲醚等过程中的应用得到 广泛重视并取得了重要研究进展。在三相浆态反应器中，固体颗粒相一般作为催化剂存在， 因此反应器操作在高固含率条件下可以提高催化剂装填量， 有利于提高反应转化率； 另一方 面，固含率增加会导致液固拟均相的表观粘度增加，并且会导致固含率的不均匀分布，对反 应器的流动、传质和反应性能产生不利影响。 目前对气升式浆态环流反应器的流动和传质行为研究很多[2,3]，然而对其固含率分布行
μ, Pa⋅s
—— 0.9×10-3 1.0×10-5
ρ, kg/m3
2526.1 998 1.2
1.2 测量方法
Turner
[6]
和 Begovich [7]对在上个世纪七十年代对电导率法测固含率进行了研究，其理论基
2
础为电磁场理论[8]。我们基于电磁场理论和复合电解质理论推出了液固体系测量固含率的基 本公式[9]：
1.实验部分
1.1 实验装置 实验装置如图 1 所示，上升管高度为 3.2 m，内径 100 mm；下降管高度 2.75 m，内径 100 mm；气体分布器为孔板分布器，孔径为 1mm，间距 20mm，开孔率 0.25%。测量位置离底 部 1.2 米处。实验以空气－水－细玻璃珠为研究体系，各相的物理性质如表 1 所示。
0.48 0.44 0.40 0.36 0.0
Ug(m/s) 0.057 0.071 0.142 0.213 0.284
solid holdup
0.2
汽-液-固三相循环流化床蒸发器的可视化分析
５ ２ ・ ５Ｗ ｍ～． ８ 固体 颗粒 的加 入量 为 ０ｍ 、０ Ｌ Ｌ １０ｍ 、 ２０ｍ 、０ Ｌ和 ４０ｍ ， ０ Ｌ３０ｍ ０ Ｌ 占所加液相的体积分率分 别为 ０ 、．％ ｌ 、 ． ％ ２ ． ％ Ｏ ５ 、％ １５ 和 ％ 实验中采用 的固体颗 粒浓度较低 ， 因为 汽一 固三相循 环流化床蒸 发器在 液． 较低浓度下即可达到较好的防、 除垢和强化传热效果．
图 １ 汽－ 固三相循环流 化床 蒸发器流程 液－
Ｆ ｇ １ Ｓ ｈｅ ａ ｉ ｉ ｇ ａ ｏ ａ ｏ － ｑ ｉ ｓ ｌ ｈ ｅ － ｉ ． ｃ ｍ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｖ ｐ ｒ ｌ ｕ ｄ－ｏ ｉ ｔ ｒ ｅ ｃ ｉ ｄ
ｐ ａ ｅ ｃｒ ｕ ａ ｉ ｇ ｆｕ ｄ ｚ ｄ ｂ ｄ ｅ ａ ｌ ｔ ｒ ｈ ｓ ｉ ｃ ｌ ｔｎ ｌ ｉｅ ｅ ｖ ｐ ｒ ｏ ｌ ｏ ａ
实验 中采用 的热 通 量分 别 为 ３ １０ Ｗ ・ ５ ｍ～、
４０ ０ Ｗ ・ｍ～、 ０ ・ｍ ５ ４６０ Ｗ 、 ５ ・ｍ 和 ５ ２０ Ｗ
系统． Ｃ Ｃ Ｄ测 量系统 由 Ｃ Ｄ摄 像机 、 Ｋ Ｍ Ｏ 图像 Ｃ Ｏ ．２Ｈ
卡、 计算机和软件 系统 等组成 ， 结构 如 图 ２所 示． 其
到一定值后 ， 加热段 ５ 上方 的水开始沸腾汽化 ， 加热段
内流体的密度下降 ， 使加热管 ５和循环管 １ ０内流体之 间出现密度差 ， 流体带动其中的惰性粒子在蒸发装置 中形成汽－ 固三相流 自 液－ 然循环． 液－ 汽－ 固三相流体进
入分离器７ ， 中的水蒸 气与液 － 后 其 固两 相流进 行分
１ ２ ３
１ ｃ 一ｃ Ｄ摄像 机 ； 计算机 ； 监视器 ；、一压力 表； ２ ３ 一 ４６ ５ 镀膜加热管 ；一汽 、 、 一 ７ 液 固分离器 ； 视窗 ； ８ 一 ９ 颗粒加入 口； 循环管 ；１ 液体出料 口； 一 １ Ｏ １一 １ 冷凝器 ； 一冷凝 液计 量槽 ； 一 真空泵 ； ２ ～ 阀门 ２ １ ３ １ ４ １ ５～ １
汽-液-固多管循环流化床蒸发器中固体颗粒的分布
Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｐａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｖａ ｐｏ ｒ ・ ・ Ｌｉ ｑｕｉ ｄ－ — Ｓｏ ｌ ｉ ｄ Ｍ ｕｌ ｔ ｉ － － Ｐｉ ｐｅ
Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｂｅ ｄ Ｅｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ
Ｖｂ１ ． ４６ Ｎ Ｏ． ２
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０１ ３
汽一 液一 固多管循环流化床蒸发器 中固体 颗粒 的分布
姜 峰 ，王兵兵 ，齐国鹏 ，李修伦
（ １ ．天津大学化工学院 ，天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ；２ ．天津职业大学生物与环境工程学 院 ，天津 ３ ０ ０ ４ １ ０ ） 摘 要：为研 究三相循 环流化床 蒸发 器加热 管束 内固体颗粒 的分布规律 ，设 计并构建 了汽． 液． 固透 明多管循 环流化
三相环流反应器中的局部相含率
2005 年10 月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2005收稿日期：2004−11−23，修回日期：2005−01−04 基金项目：清华大学博士生创新基金资助项目作者简介：张同旺(1975−)，男，山东省聊城市人，博士研究生，化学工程专业；王金福，通讯联系人.三相环流反应器中的局部相含率张同旺， 高继贤， 王铁峰， 王金福(清华大学化工系，北京 100084)摘 要：将压差法与气−液相间滑移速度相结合，提出了利用压差法测量三相区局部相含率的新方法，将测得的局部固含率进行轴向平均并与由颗粒装填量计算所得的固含率进行比较，证明了此方法的可靠性. 利用所提出的测量方法，考察了三相环流反应器中气含率和固含率随操作条件的变化规律. 结果表明，气含率随表观气速的升高而增大，且随轴向位置的升高而增大；大颗粒具有破碎气泡的作用，能够增大反应器内的气含率；固含率随表观气速的增加而降低，且沿轴向变化较大. 表观气速较高时，固含率沿轴向近似呈S 形分布. 关键词：环流反应器；压差法；滑移速度；气含率；固含率中图分类号：TQ021 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2005)05−0485−051 前 言气升式三相环流反应器综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优良性能，具有结构简单、无机械传动部件、易密封、造价低、易实现工业放大等优点，在化工、石油化工、生物化工和环境工程等领域得到了广泛应用[1]. 随着能源形势日趋紧张，环流反应器在液相法合成甲醇、浆态床一步法合成二甲醚、煤直接液化等过程中的应用得到重视，并取得了重要的研究进展. 虽然环流反应器在工业上已有所应用，但由于对其内部流动行为尚缺乏系统的认识，在反应器设计和操作中仍存在理论指导不足的问题. 因此，对三相环流反应器的流动和传递行为的规律进行深入研究具有十分重要的理论意义和工程应用价值.目前人们对三相环流反应器的研究[2,3]多集中于气速和液速均为可控的操作体系. 而在工业过程中，许多生产过程采取气体连续式、液体间歇式操作，循环液速系由于上升管和下降管间不同的气含率所致，但目前关于液体间歇式三相环流反应器内流动行为的研究报道还很少见. Ostergaard 等[4]研究了加入大颗粒对流化床内传质速率的影响，发现粒度为6.98 mm 的三相体系中气液体积传质系数比粒度为1 mm 的三相体系中的传质系数大10倍，认为这是由于大颗粒具有破碎气泡的作用，使气泡尺寸降低，相界面积增加. 而目前关于颗粒装填量和颗粒直径对反应器内流动行为的影响研究还很少.本研究将压差法与气−液相间滑移速度相结合，提出了利用压差法测量相含率的新方法. 利用该方法详细考察了表观气速、固体颗粒装填量和颗粒粒径对气−液−固三相区的气含率和固含率的影响.2 实 验实验装置如图1所示，上升管高度3.2 m ，内径0.1 m ；下降管高度2.75 m ，内径0.1 m ；气体分布器为孔板分布器，孔径1 mm ，开孔率0.25%. 气体经转子流量计由气体分布器进入上升管，由于上升管和下降管间不同的气含率，推动液体在上升管和下降管中循环流动.T o m a n o m e t e r图1 实验装置图Fig.1 Scheme of experimental apparatus以空气−水−玻璃珠为研究体系，其物理性质如表1所示. 沿上升管侧壁开7个测孔，用以测量不同轴向位置间的压差，测孔与分布器间的距离分别为0.065, 0.255, 0.54, 1.1, 1.68, 2.25和2.85 m. 在讨论相含率随轴向高度的变化时，以两测孔的中间位置为参考点，即分别为0.16, 0.397, 0.82, 1.39, 1.965和2.55 m.表1 实验体系的物性参数Table 1 Materials parameters used in the experimental systemComponent SubstanceSize,d p (mm) Bed voidage, εb Viscosity,µ (Pa⋅s)Density, ρ (kg/m3)Particle 1 Glass bead 3 0.3714 − 2400 Particle 2 Glass bead 10.5 0.3770 − 2400 Particle 3 Glass bead 12 0.3770 − 2400 Particle 4 Glass bead 16 0.3825 − 2400 Liquid Water −− 0.9×10−3 998 Gas Air−− 1.0×10−5 1.23 测量方法在上升管侧壁开7个测孔，采用压差法测量相含率. 利用倒U管压差计测量相邻两测孔间压差∆p，其与各相含率存在以下关系[5]：∆p=(εgρg+εlρl+εsρs)gH h−ρl gH h,(1) 其中H h为两测孔间距离. 各相含率满足归一化条件：εg+εl+εs=1. (2)对于气−液两相体系，εs=0，可利用式(1)和(2)求取各相含率；而对于气−液−固三相体系，式(1)和(2)为非封闭方程组，只有再找到一个反映气−液−固三相含率的方程才能使方程组封闭，进而计算得到各相含率. Begovich等[6]根据Maxwell公式，利用液含率不同、其三相混合物的电导率也不相同这一原理测量三相床的液含率，并与式(1), (2)结合，得到各相的相含率. 由于固体颗粒的粒径越大，要求的电导探头就越大，而过大的电导探头将对反应器内的流场产生干扰，使测得的相含率不能反映反应器内的真实值，因此利用电导法测量相含率对含大颗粒的三相体系不适用.对于反应器内含固体颗粒的区域，由于颗粒对气泡的破碎作用，气泡直径较小，在环流反应器中气泡尺寸一般为1~7 mm[7]，且大小较均匀[8]，气泡尾涡作用不明显，可近似认为与单气泡的上升行为相同. 由于直径1~10 mm的单气泡其上升速度近似为0.25 m/s[9]，因此假定在反应器中的气−液−固三相区内，气泡与液相主体间的滑移速度也为0.25 m/s，即：U g/εg−U l/εl=0.25. (3)式(1)~(3)构成了关于各相含率的封闭方程组，在已知表观液速和表观气速的条件下，根据测得的不同测孔间的压差即可得出测孔间各相含率的平均值.用超声多普勒测速仪测量下降管中的液体速度[10]，由于本实验主要考察表观气速较低、反应器处于固定床流区或流化床流区时的流动行为，故下降管内不含固体颗粒，且气泡夹带较少，实验测得的值即为液体中悬浮物的运动速度，由于水中的悬浮物具有较好的跟随性，故其速度即为下降管中的液体速度[11]. 由于本实验中下降管和上升管直径相等，因此所测液速即为上升管中的表观液速.将由式(1)~(3)计算所得的固含率沿轴向进行平均：s,m s h eH Hεε=∑, (4) H e为固体颗粒的膨胀高度. 根据颗粒装填量、床层静止时的颗粒空隙率和颗粒膨胀高度可得反应器三相区内的实际平均固含率：()s,br s e1Hεε=−, (5) εb为床层静止时的颗粒空隙率，H s为床层静止时的颗粒高度，计算和实际平均固含率值如图2和3所示. 图2为颗粒装填高度0.69 m时不同粒径下固含率真实值与测量值的比较，图3为粒径16 mm时不同装填高度下固图2 不同粒径时固含率真实值与测量值的比较Fig.2 Real values and measured values of solid holdupunder different particle diameters0.20.30.40.50.60.20.30.40.50.20.30.40.50.100.120.140.160.180.200.220.10.20.30.40.5Ug(m/s)⎯εs第5期 张同旺等：三相环流反应器中的局部相含率 487含率真实值与测量值的比较. 由图可以看出，测量值与真实值在所有操作条件下均吻合较好，说明将压差法与滑移速度结合，可用来测量环流反应器中气−液−固三相区的相含率.图3 不同固体装填高度时固含率真实值与测量值的比较 Fig.3 Real values and measured values of solid holdupunder different static solid heights4 结果与讨论4.1 气含率气含率是单位体积内气相所占的体积分率，表观气速一定时，气含率取决于气泡的上升速度. 因此，所有影响气泡上升速度的体系性质均能对气含率产生影响. 气含率与气泡大小及其分布共同决定了反应器内的气液相界面积，对相间传质速率有重要影响，是三相环流反应器中的重要参数[12]. 气体通过分布器进入上升管，由于上升管和下降管间气含率的差异，形成液体在上升管和下降管间的整体循环流动，因此气含率对循环液速也有重要影响. 故研究气含率随操作条件的变化规律对深入理解三相环流反应器的流动行为与传质行为具有十分重要的意义.图4为颗粒装填高度0.69 m 时，轴向位置0.395 m 处气含率随表观气速的变化. 在不同的颗粒粒径下，气含率均随表观气速增大而增大. 由于在相同表观气速和相同颗粒装填高度下，颗粒粒径越大，颗粒床层的膨胀高度越小，气液混合物流过颗粒床层的阻力越大，导致循环液速和气泡上升速度降低[13]. 因此，在相同表观气速条件下，气含率随颗粒粒径的增大而增大.加入大颗粒还具有破碎气泡的作用，Henriksen 等[14]提出气泡破碎是由于气泡顶部的Rayleigh −Taylor 不稳定性所致，认为当颗粒直径大于临界波长的一半时，才可以破碎气泡，表明大颗粒更易于使气泡破碎. 增加相界面积也是气含率随粒径增加而增加的另一重要因素.图4 不同颗粒粒径时气速对气含率的影响Fig.4 Gas holdup vs. superficial gas velocity underdifferent particle diameters图5为不同颗粒粒径时气含率的轴向变化规律. 相同表观气速下，各轴向位置处的气含率均随颗粒粒径增大而增大. 由于气泡上升过程中压力降低，使气体体积增大；且在轴向位置较低处，固体颗粒浓度较大，气液相所占体积较小，所以气含率随轴向高度增加而增加.图5 不同颗粒粒径时气含率的轴向变化 Fig.5 The axial profiles of gas holdup underdifferent particle diameters图6为颗粒粒径一定、不同颗粒装填高度时气含率随表观气速的变化. 由于颗粒装填高度不同，颗粒的起始流化气速也不相同，故反应器处于不同流型时的表观气速也不同. 由于本研究主要考察颗粒处于流化区时的相含率，所以图6中不同曲线的起始位置不同. 与图4类似，气含率随表观气速的增加而增加. 由于随颗粒装填高度变大，反应器内的流动阻力增加，使相同表观气速条件下，循环液速较小，气泡速度降低，故气含率随颗粒装填高度的增加而增加.0.000.050.100.150.200.00.10.20.30.40.50.6⎯εsU g (m/s)0.080.100.120.140.160.180.200.220.140.160.180.200.22εgU g (m/s)0.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00.170.180.190.200.210.22εgH h (m)488 过 程 工 程 学 报 第5卷图6 不同颗粒装填高度时气速对气含率的影响 Fig.6 Gas holdup vs. superficial gas velocity underdifferent static solid heights4.2 固含率固含率也是环流反应器中的重要参数之一. 对于一些以固体颗粒为催化剂的生产过程，单位体积内固体表面积对反应速度有重要影响，因此，固含率的空间分布对生产效率影响显著. 由前面对气含率的讨论可知，气含率的轴向变化不大，因此固含率对液相含率影响较大，Begovich 等[6]也曾发现类似现象.图7为颗粒装填高度0.69 m 、粒径16 mm 时固含率的轴向分布. 因膨胀高度随表观气速增大而增大[13]，反应器内三相区的固体浓度随表观气速的增加而降低，所以在不同轴向位置处，固含率均随表观气速的增加而下降. 由图还可看出，当表观气速较低时，固含率沿轴向近似呈线性下降；而表观气速较高时，固含率沿轴向近似呈S 形分布.图7 不同表观气速时固含率的轴向分布Fig.7 The axial profiles of solid holdup underdifferent superficial gas velocities图8为相同表观气速和相同颗粒装填高度下，不同颗粒粒径时固含率的轴向分布. 由于颗粒粒径越小，其沉降速度越小，更易被气液混合物夹带，所以颗粒粒径较小时固含率的轴向分布也较均匀，随轴向高度的增加变化较小；颗粒粒径较大时，固含率沿轴向呈S 形分布，反应器底部的固含率较大，顶部的固含率较小.图8 不同颗粒粒径时固含率的轴向分布 Fig.8 The axial profiles of solid holdup underdifferent particle diameters图9为不同颗粒装填高度下，颗粒临界循环时固含率的轴向分布. 颗粒装填高度较小时，固含率也较小. 由图可以看出，在不同颗粒装填高度下，固含率均近似呈上稀下浓的S 形分布.图9 不同颗粒装填高度时固含率的轴向分布 Fig.9 The axial profiles of solid holdup underdifferent static solid heights5 结 论将压差法与气液相间滑移速度相结合，提出了利用压差法测量三相环流反应器内相含率的新方法，并将测得的不同轴向位置处的固含率平均值与由颗粒装填高度计算所得的固含率进行比较，二者在各操作条件下均能较好地吻合，证明了该测量方法的可靠性.利用提出的测量方法研究了三相环流反应器中气含率、固含率的轴向分布及其随操作条件的变化关系.0.040.080.120.160.200.240.060.080.100.120.140.160.180.200.22εgU g (m/s)0.00.51.01.52.02.50.100.150.200.250.300.350.40εsH h (m)0.00.40.81.21.62.02.42.8εsH h (m)0.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.82.00.100.150.200.250.300.35εsH h (m)第5期 张同旺等：三相环流反应器中的局部相含率489结果表明：(1) 在气−液−固三相区内，气含率随表观气速增加而增加. 随着轴向位置的升高，气含率略有增加. 随颗粒装填高度和颗粒粒径增加，气含率相应增加，表明大颗粒的加入对增加气含率和强化相间传质具有重要作用.(2) 固含率随表观气速的增加而降低. 表观气速较低时，固含率沿轴向变化较小，而表观气速较高时，固含率沿轴向近似呈上稀下浓的S形分布. 相同表观气速下，颗粒粒径越小，固含率的轴向分布越均匀.符号表：d 直径 (m) 下标g 重力加速度 (m/s2) b 静止床层H 高度 (m) e 膨胀∆p 压差 (Pa) g 气体U 表观速度 (m/s) h 测孔ε相含率 l液体ρ密度 (kg/m3) m测量值r实际值s固体参考文献：[1] Hyndman C L, Larachi F, Guy C. Understanding Gas-phaseHydrodynamics in Bubble Columns: A Convective Model Based on Kinetic Theory [J]. Chem. Eng. Sci., 1997, 52(1): 63−77.[2] Fan L S, Hwang S J, Matsuura A. Hydrodynamic Behaviors of a DraftTube Gas−Lqiuid−Solid Spouted Bed [J]. Chem. Eng. Sci., 1984, 39(12): 1677−1688.[3] Chern S H, Fan L S, Muroyama K. Hydrodynamics of CocurrentGas−Liquid−Solid Fluidized Beds [J]. AIChE J., 1984, 30: 288−294.[4] Ostergaard K, Fosbol P. Transfer of Oxygen across the Gas−LiquidInterface in Gas−Liquid Fluidized Beds [J]. Chem. Eng. J., 1972, 3: 105−111.[5] 张同旺，靳海波，何广湘，等. 加压大型气液鼓泡床中气含率的实验和关联 [J]. 过程工程学报, 2002, 2(6): 481−484.[6] Begovich J M, Watson J S. An Electroconductivity Technique for theMeasurement of Axial Variation of Holdups in Three-phase Fluidized Beds [J]. AIChE J., 1978, 24(2): 351−354.[7] Zhang T W, Wang J F, Wang T F, et al. Effect of Internal on theHydrodynamics in External-loop Airlift Reactors [J]. Chem. Eng.Process., 2005, 40: 81−87.[8] Henriksen H K, Ostergaard K. On the Mechanism of Break-up ofLarge Bubbles in Liquids and Three-phase Fluidized Beds [J]. Chem.Eng. Sci., 1976, 29: 626−629.[9] Garcia-Calvo E, Leton P, Arranz M A. Theoretical Prediction of GasHoldup in Bubble Columns with Newtonian and Non-Newtonian Liquids [J]. Chem. Eng. Commun., 1996, 143: 117−132.[10] Wang T F, Wang J F, Jin Y. Application of Doppler UltrasoundVelocimetry in Multiphase Flow [J]. Chem. Eng. J., 2003, 92: 111−122.[11] 沈熊. 激光多普勒测速技术与应用 [M]. 北京：清华大学出版社,2004. 178.[12] 范良士. 气液固流态化工程 [M]. 北京：中国石化出版社, 1993.136.[13] 张同旺，高继贤，王金福，等. 三相环流反应器流体力学行为的实验研究 [J]. 化工学报, 2005, 56(7): 1213−1217.[14] Henriksen H K, Ostergaard K. On the Mechanism of Breakup ofLarge Bubble in Liquids and Three-phase Fluidized Bed [J]. Chem.Eng. Sci., 1974, 29: 626−629.The Local Phase Holdups of Three-phase Loop ReactorsZHANG Tong-wang, GAO Ji-xian, WANG Tie-feng, WANG Jin-fu(Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Better understanding of the hydrodynamic behavior in three-phase airlift loop reactors (TPALRs) is important for their design and scale-up. In the present paper, combination of pressure difference method with gas−liquid inter-phase slip velocity was proposed to measure the phase holdups in TPALRs. The comparison between the measured axial-averaged solid holdups and those calculated from the solid loading shows that the used method is reliable. The gas holdup and solid holdup were experimentally studied with the proposed measuring method. The results show that the gas holdup increases with the increase in the superficial gas velocity, and increases along the axial position. Large particles can break bubbles and increase the gas holdup. The solid holdup decreases with the increase in the superficial gas velocity, and its variation along the axial position is more remarkable than that of the gas holdup. The solid holdup decreases with the increase in the superficial gas velocity. At high superficial gas velocities, the solid holdup has an S-type axial profile. Key words: airlift loop reactor; pressure difference method; slip velocity; gas holdup; solid holdup。
气液固三相反应
–
气体为连续进出料，液体为连续进出料
适用场合
–
不饱和烃的加氢、烯烃的氧化、醛的乙炔化反应和聚合反应，煤的
催化液化
优缺点
优点–来自持液量大––
良好的传热、传质和混合性能
采用细小的催化剂颗粒，催化剂内外传质阻力都小，充分发挥催化 剂作用 活性迅速衰减的催化剂可以方便的排除和更换
–
缺点
–
细小的催化剂颗粒的分离困难和搅拌浆与反应器壁的磨损
有利于增大过程的推动力
–
当气液两相流速较大时，可能出现液泛
气液并流向上操作滴流床反应器---填料鼓泡塔
–
– –
反应器持液量大
液相和气相在反应器中混合好 适用于反应热效应大、反应较快、传热要求高的场合
2.2 淤浆床反应器
搅拌式淤浆床反应器的结构与液相反应的机械搅拌釜相似
–
借助搅拌浆的作用将气体分散为气泡，固体颗粒悬浮在液相中
组分A从气相主体传递到气液界面 组分A从气液界面传递到液相主体 组分A在液相主体中的混合与扩散 组分A从液相传递到催化剂外表面 组分A向催化剂内部传递并在内表面上进行反应
由于气流或机械搅拌作用 液相主体浓度达到均匀
– –
组分A从气相主体传递到气液界面 组分A从气液界面传递到液相主体
–
–
组分A从液相传递到催化剂外表面
–
–
–
过程控制步骤的判断
如果知道速率方程中的各项传递参数，通过计算可以获得速率
控制步骤
很难获得 通过实验的方法
–
改变速率方程中的某些因素，如固含率、催化剂颗粒尺寸、搅拌 强度、操作压力、液相反应组分浓度、气相反应组分分压等 某一因素的变化显著过程的速率，表明与该因素有关的步骤可能 是速率控制步骤
3气液固三相流化床反应器
实验结论
5.其它因素对KLa的影响 大量的文献表明KLa的数值与实验所用的方法介质等 有很大的关系。一般说来用吸收法和解吸法所得到的结果 是不完全一样的。 KLa值随液体粘度和表面张力的升高而 升高，同时KLa值还与介质的密度、温度等有关; KLa值的 大小还与取样的位置有关,认为在塔内中心位置的值要比塔 壁等其它地方的值要大。由于实验条件的限制这些因素没 有进行。
回归结果
通过以上所得结果，对影响床层压降△P、气含率 εg及起始流化速度UC的各种因素的实验数据进行 了回归，采用的方法是多元线性逐步回归法，所 得各关联式为:
结论
1.三相流化床的压降由于有液体与气体的同时流动 而略有减少，操作能耗随之减小，但液体的流动 须消耗一定的功耗。 2.εs是影响床层压降最主要的因素，直接影响操作 的能耗，而εs另一方面又涉及到反应器的处理能力， 故确定合理的因含率是十分必要的。 3.三相流化床由于液相的循环流动而涉及气液分离 的问题，特别是在高表观液速和高固含率的情况 下，分离问题更显重要。
测试方法
1.固含率εs 以100 g水中砂子的质量为基准
测试方法
2.气含率: εg是气应体体积占整个反应器体积的分 量。本实验采用床层膨胀法来测量，即通过静止 床层的高度与气体通过时的膨胀高度之差求得平 均气含率，其计算式为：
1.表观气速对气含率的影响 表观气速是影响床层气含率最主要的因素。固定εs和 uL不变，逐步增加表观气速，表观气速的增大则单位时间 内流人整个床层的气体的量增加，在气泡的尺度与分布正 常的情况下，即气泡间无明显的聚并时，床层内气泡数量 随着气速的增大而增加，故气含率。气含率逐步增大。 2.表观液速对气含率的影响是随着uL的增加气含率略有增 加。 3.固含率对气含率的影响是，固含率的增大，使得床层内 固体颗粒的数量增多，使得气泡聚并的机会增多，从而形 成到气泡的可能性较大，故而引起气含率的下降。
第二章(1)气液固三相滴流床反应器2
Ga a d
* 0.42 L v
p /
0.65
式中关联式是否适用于小颗粒床层还有待于进一步研究。
动持液量是气、液流动稳定后，同时关闭气、液进口 阀，在出口处收集到的床层流出的液流量。采用电阻 探针测定积分电压，以空气作气相，分别用水、5％甲 醛水溶液、10％丁炔二醇水溶液和煤油作液相，进行 动持液量的测定，回归得到以下关联式：
L
2 d 3 g L p 9 10 4 ~ 7 10 6 Ga 2 L
• 颗粒为球形，有孔或无孔，流动区为滴流区。 • 在常压～6MPa下，动持液量随液体流率增加而增 加，随气体流率和填料空隙率增大而减少，随压 力增加而加大，但压力增加到一定程度反而减小。
• 操作压力对持液量和床层压降的影响 Wammes等认为静持液量与压力无关, 而气 体密度和反应器压力对动持液量的影响可用床层 压降即气液界面上的曳力来解释。当气体质量流 速一定时, 持液量随压力的增加而增加, 而当气体 表观流速一定, 气体密度和压力增力寸, 床层压降 增加, 液体流动的推动力增大, 动持液量则减小。 若气夜表观流速一定, 在相同的气体密度下流体 力学状态也相同。当表观气液流速一定时, 压力 增加意味着气相质量流率增加, 因而床层压降增 大。在一定的气液相质量流率下, 压力增加时表 观气速减小, 床层压降也降低。 Larachi等发现在脉冲区高压下发泡体系的 床层压降远大于非发泡体系的床层压降, 并提出 了具有较宽适用范围的床层降和总持液量的经验 关联式。
⑤Specchia和Baldi关联式 以空气-水为体系，粒度为 6.0mm的玻璃珠，5.4×5.4mm和2.7×2.7mm的玻璃珠 为填料，引出一个新的Galileo准数，即 * 2 GaL d 3 L L g PLG / Z / L p
气液固逆流三相湍动床局部相含率的分布
摘
要 ： 用微 电导 探针 测 试技 术 ， 聚 乙烯 颗 粒（ 一４ ０ 应 对 ． １ｍｍ， ＝９ ６ｋ ２ ｇ・ｍ ） 固 为
相， 、 水 质量分数 Ｏ ０ 和 ０ ２ 羧 甲基 纤维素钠 （ Ｃ ） 。５ ． Ｓ ＭＣ 水溶液为 液相 ， 空气为气相的 逆 流三相湍动床 的各相局部含 率进行 了同 时测定 ， 得 了 ７０套 局部 相含 率 实验数 据 。在表 获 ２
ｐ ｌｅ ｈ ｌｎ ａｔｃｅ ，ａｒ ｎ ｔ ｒ ． ５ ｏ ｙ ｔ ｙ ｅ ｅｐ ｒｉｌｓ ｉ ，ａ ｄｗａ ｅ ，０ ０
（ ａ ｓ Ｓ Ｍ Ｃ，０ ２ ｍ ｓ） Ｃ ．Ｏ
（ ａｓ Ｓ Ｍ Ｃ ｍ ｓ） Ｃ
ａ ｏｉ ｓｓ ｌ ｄ，ｇ ｓａ ｄ ｌ ｕ ｄ ｐ ａ ｅ ，ｒ ｓ ｅ ｔ ｅ ｙ ０ ｓ ｔ ｆｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌ ａ ａｏ ｃ ｌ ｈ ｓ ａ ｎ ｑ ｉ ｈ ｓ ｓ ｅ ｐ ｃ ｉ ｌ ．７ ｅ ｓｏ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｆ ｏ ａ ａ ｅ ｉ ｖ ２ ｄ ｌ ｐ ｈ ｌ ｕ ｓ ｉ ａ ｉｌ ｉｅ ｔ ｎ ａ ｅ ｃ ｌ ｃ ｅ ｎ ｅ — Ｕｇ．Ｉ ａ ｅ ｎ ｆ ｕ ｄ ｔ ａ ｈ ｉｔ ｉ ｏ ｄ ｐ ｎ ｒ ｄ ａ ｒ ｃ ｉ ｒ ｏ ｌ ｔ ｄ ｕ ｄ ｒＵｇ ｄ ｏ ｅ ３ ｔｈ ｓｂ ｅ ｏ ｎ ｈ ｔｔ ｅｄ ｓ ｒ— ｂ ｔｏ ｓ ｏ ｏ ａ ｏ ｉ ｏ ｄ ｐ ｉ ａ ｉ ｌ ｉｅ ｔ ｎ ｈ ｖ ｎ ｍ ｕ ｖ ｌ ｅａ ｈ ｏ ｕ ｅ — ｕ ｉ ｎ ｆｌ ｃ ｌ ｌ ｈ ｌ ｕ ｎ ｒ ｄ ａ ｒ ｃ ｉ ａ ｅ ａ ｍｉ ｉ ｍ ａ ｕ ｔｔ ｅ ｃ ｌ ｍｎ ｃ ｎ ｓ ｄ ｄ ｏ
２ Ｓ ｈ ｏ ｆ ｈ ｍｉ ｌ ｎ ｉ ｅｒ ｇ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｔｉ ｊ ｉｅ ｓ ｙ ｉｎｉ ０ ０ ２ Ｃｈｎ ） ． ｃ ｏ ｌ ｅ ｃ ｇｎ ｅｉ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏＣ ａＥ ｎ ａ ｉ Ｕｎｖ ｒｉ ，Ｔ ａ ｊ ３ ０ ７ ， ｉａ ｎｎ ｔ ｎ
化学反应工程-第八章 气-液-固三相反应及反应器
6
悬浮床气—液—固反应器
①机械搅拌悬浮式； ②淤浆床鼓泡反应器，以气体鼓泡搅拌； ③不带搅拌的气、液两相流体并流向上，而颗粒不带出床 外的三相流化床反应器； ④三相携带床反应器，不带搅拌的气、液两相流体并流向 上，而颗粒随液体带出床外的三相输送床反应器； ⑤具有导流筒的内环流反应器。
18
19
压降
20
涓流床三相反应器中的传递过程
21
22
涓流状态下液—固相间传质系数
23
涓流床中的传热
24
机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器
利用机械搅拌的方法使催化剂保持悬浮状态，有较高的 传质和传热系数，但带来了较高的动力消耗和催化剂颗粒磨 损。
按照气体的分散方式，机械搅拌悬浮三相反应器分为压 力布气式和自吸式两种。
(2)过渡流动区——继续提高气体流 速，床层上部是喷射流，下部出现脉 冲现象。(3)脉Leabharlann 流动区——气速进一步增大16
(4)分散鼓泡区——若再增大气速，各脉冲间的界限变得不 易区分，达到一定程度后，形成分散鼓泡区。这时液相成 为连续相，气体则呈气泡状存在，形成分散相。
形成不同区域的最大气速与液体流速有关。液体流速越 大，越易形成脉冲区与鼓泡区。
4
固定床气-液-固反应器
——涓流床（滴 流床反应器）， 液流向下流动， 以一种很薄的液 膜形式通过固体 催化剂，而连续 气相以并流或逆 流的形式流动， 但正常的操作方 式是气流和液流 并流向下流动。
5
优点——在活塞流条件下操作，催化剂充分湿润，可获得 高转化率。液固比(或液体滞留量)很小，可使均相反应的 影响降至最低；涓流床反应器中液膜很薄，总的液膜阻力 比其他类型三相反应器要小；并流操作的涓流床反应器不 存在液泛问题；压降比鼓泡反应器小。
三相流化床反应器流体流动的数值模拟_柴芳芳
存在对液固拟均相密度和粘度的影响 , 拟均 相密度和粘度按下式计算 :
sus
=
R1 1 + RP R 1 + RP
P
P
sus
=
1
( 1+ R P
P
1
) ( 1- RP )
- 2.59
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化工设计通讯 文中用一个一维模型模拟固体粒子的分
第 27 卷
过系数由拟均相获得, 而把气相的湍流功能 和湍耗散率单独考虑。该模型轴向液体速率 和局部气含率的预测结果与实验数据吻合很 好, 对固体粒子给予局部流动特征变化也可 以进行预测。 2 3 气液固三流体模型 Mitra- Majumdar 型中假定 : a) 在同一计算单元内各项压力相等; b) 流体流动轴对称; c) 忽略气相湍流对流畅的影响; d) 固体颗粒 远远小 于计算单 元内的大 少。 气液固三相每一相都有自己的连续性方 程和动量方程 : t ( R i i ) + div ( R i i ui ) = 0
b) 以上模型大多假定液固拟均态, 即使 三流体模型中对固体粒子间相互作用 , 及其 与壁面碰撞等只采取简单处理 , 实际情况中 , 粒子重量, 直径及粒子间碰撞对整个流动状 态都有影响。 c) 气泡 仍是影响三相流化床流体流动 的主要因素 , 流化床中气泡行为影响序继续 探讨。
模拟确实是研究三相流化床内复杂的流体流 动行为的有效方法, 应用于三相流化床反应 器的设计和预测放大 , 可提供直接指导作用, 但是仍存在一些问题 : a) 以上 模型 , 都 是在 假定稳 定态 条件
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化工设计通讯
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第 27 卷
d) 现阶段 , 三相流化床流体流动的数值 模拟对流体流动状况进行探讨 , 并未考虑三 相流化床反应器中化学反应动力学影响。 e) 三相流 化床反应器瞬态实验值测定 方法的开发 , 将大大促进三相流化床流体流 动的数值模拟技术的发展。 所以 , 三相流化床流体流动的数值模拟, 以及三相流化床反应器的研制和一切仍是一 个新鲜而富于挑战的课题。
小型气-液-固流化床液相的停留时间分布
小型气-液-固流化床液相的停留时间分布姚东;刘明言;李翔南【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2018(069)011【摘要】采用脉冲示踪技术,研究了3 mm床径的小型气-液-固流化床内液相停留时间分布.以KCl为示踪剂,液相为去离子水,气相为空气,固相为平均粒径0.123～0.222 mm的玻璃微珠和氧化铝颗粒,测量流化床出口液相的电导率,得到其停留时间分布曲线.结果表明,增大表观液速和表观气速,分布曲线变窄,平均停留时间缩短,Peclet数增大;固相的存在使液相的平均停留时间增长.表观液速1.96～15.70 mm?s-1,表观气速1.18～1.96 mm?s-1的条件下,流动接近层流;平均停留时间的范围为(19.6±0.34)s～(48.0±0.92)s,建立的Pe经验关联式对实验结果有较好的预测,偏差在±25％以内.研究结果对于小型三相流化床的设计放大具有指导意义.【总页数】9页(P4754-4762)【作者】姚东;刘明言;李翔南【作者单位】天津大学化工学院,天津化学化工协同创新中心,天津 300350;天津大学化工学院,天津化学化工协同创新中心,天津 300350;化学工程联合国家重点实验室(天津大学),天津 300350;天津大学化工学院,天津化学化工协同创新中心,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TQ018【相关文献】1.气-液鼓泡床和气-液-固三相流化床气含率与床层压降定量关系的推导 [J], 祁存谦2.气-液鼓泡床和气-液-固三相流化床气含率与床层压降定量关系的推导 [J], 祁存谦3.气-液-固三相循环流化床局部相含率分布 [J], 曹长青;刘明言;王一平;秦秀云;胡宗定4.气-液-固三相流化床气体分布器区局部相含率和床层膨胀比的实验研究 [J], 董淑芹;曹长青;刘明言;郭庆杰5.气-液-固三相流化床液相返混的研究(稳态法) [J], 胡宗定;张瑛;黄璐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
气液固三相流化床局部相含率轴径向分布
气液固三相流化床局部相含率轴径向分布曹长青;刘明言;王一平;秦秀云;胡宗定【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2005(56)2【摘要】应用开发的微电导探针测试技术,对小尺寸颗粒玻璃珠(粒径分别为0.48、0.80、1.25 mm)和1.45 mm苯乙烯树脂为固相,空气和水分别为气相和液相的三相流化床的各相局部含率进行了同时测定.在较宽操作条件下,获得了一系列局部相含率实验数据.通过对实验数据研究发现:在充分发展段,局部固含率在r/R=0.75～0.85范围内有一个极大值,床层截面平均气含率随表观液速的变化存在一个极小值.在气体分布器区,在距气体分布器轴向一定距离范围内,三相局部含率的径向分布存在明显的不对称分布.随着轴向距离的增加,局部气含率径向不对称分布逐渐消失,最终过渡到对称分布,而局部固含率的径向不对称分布消失得不明显.【总页数】8页(P249-256)【作者】曹长青;刘明言;王一平;秦秀云;胡宗定【作者单位】天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】O359【相关文献】1.气液固三相循环流化床中气固相含率轴径向的分布 [J], 韩社教;金涌2.气液固三相流化床中局部相含率的随机分析 [J], 胡宗定;张立国3.气液固三相流化床局部相含率 [J], 刘利群;孙勤;杨阿三;程榕;郑燕萍4.气液固逆流三相湍动床局部相含率的分布 [J], 曹长青;刘明言;郭庆杰5.气-液-固三相流化床气体分布器区局部相含率和床层膨胀比的实验研究 [J], 董淑芹;曹长青;刘明言;郭庆杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
汽液固三相循环流化床蒸发器强化传热和防垢研究
收稿日期:1999-07-06作者简介:陈健生(1975-),男,湖南邵阳人,天津大学化工学院硕士生,主要从事多相传热研究。
¹通讯联系人。
研究论文汽液固三相循环流化床蒸发器强化传热和防垢研究陈健生,李修伦¹,张少峰,林瑞泰(天津大学化工学院,天津300072)摘要:本文在已开发的汽液固三相循环流化床蒸发器装置上进行了条件试验研究。
试验表明,这种新型的蒸发器具有明显的强化传热和防垢效果,其传热系数比汽液两相流沸腾传热膜系数提高1.5倍～2.0倍,并能有效防止污垢的产生。
文中对强化传热和防垢的机理进行了探讨。
关键词:三相流;循环流化床;蒸发器;污垢中图分类号:TQ028.6 文献标识码:A 文章编号:1004-9533(2000)01-0015-04Studies of Heat Transfer Enhancement and Fouling Prevention in a Vapor -Liquid -Solid Three -PhaseCirculating Fluidized Bed EvaporatorCHEN Jian-sheng,LI Xiu-lun,ZHANG Shao-feng,LIN Rui-tai(S chool of C hem ical E ngineering ,T ianjin University ,T ianjin 300072,Ch ina )Abstract :Heat tr ansfer enhancem ent and fouling prevention have been studied in a vapo r-liquid-so lidthr ee-phasecir culatingfluidizedbedev aporator.T heexper im ental r esults show that it has the abilities o f enhancing heat tr ansfer ,pr eventing and cleaning fo uling.U nder the same conditions,its heat transfer co efficient is 1.5～2.0tim es g reater than tw o-phase flow boiling heat tr ansfer.T he heat transfer enhancement and fo uling pr ev entio n mechanisms w ere also studied in this paper .Key words :three-phase flow ;circulating fluidized bed;ev aporator ;fouling2000年2月Feb.2000 化 学 工 业 与 工 程CHEM I CA L IN DU ST RY A ND ENG IN EERIN G 第17卷 第1期V o l.17 No.1 循环流化床因其具有两相接触率高,生产能力大,强化传热,可处理粘性物料及适用于快速加工工艺等特点,在石油、化工、轻工、动力、能源、食品、医药及环保等领域得到了广泛应用。
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实验在如图 1 所示的 GL S TCFB 系统中进行 . 该系统由 3 个主要部分组成 , 即上升段 、气2液2固 分离器和固体颗粒循环部分 . 上升段为内径 150 mm 、高 3500 mm 的垂直有机玻璃塔 . 无油空气 为气相 , 水及 01 05 % 、01 20 % ( 质量 ) SCM C 水
Distribution of local p ha se holdup s of ga s2liquid2solid thre e2p ha se circulating fluidize d beds
CAO Changqing , LIU Mingyan , WANG Yiping , QIN Xiuyun , HU Zongding
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化 工 学 报
第 56 卷
混合 , 增加单位面积反应器产量 , 同时 , 高的剪切 应力还能提高生物膜更新 . 然而 , 到目前为止 , 三相循环流态化领域的研 究结果与传统流化床相比仍较少 . Liang 等 [ 3 ,4 ] 在 循环流型中 , 建立了统一尾涡模型 , 预测了相含率 分布 . 韩社教等[ 5 ] 对 GL S TCFB 气 、固相含率沿 轴 、径向分布进行了实验研究和模拟 . Yang 等[ 6 ] 对 GL S TCFB 液相流结构和返混特性进行了实验研 究 . J ames 等[ 7 ] 对循环流化床气相速度波动进行了 研究 . 过去的研究工作 , 采用水为液相 , 玻璃珠为固 相 , 而生物化工所应用的液相介质的黏度相对较 大 , 当小或轻颗粒在较高黏度液体介质中被流化 时 , 上面研究成果的应用受到限制 . 另外 , 过去研 究工作对床层平均相含率等参数已有很好的研究 , 而对三相局部含率轴径向分布的研究报道很 少 [ 8 ,9 ] , 这主要因为三相局部含率测试技术的缺乏 所致 . 本文采用自行开发的微电导探针技术 , 同时测 得三相流化床各相局部含率 . 研究了在不同操作条 件和不同液体黏度下 , 各相局部含率轴径向分布规 律 . 在此基础上 , 将局部固含率和局部气含率关联 成操作条件 、流体物性及轴径向位置的函数式 , 从 而进一步揭示 GL S TCFB 的内在规律 , 并为工业反 应器的设计提供基础实验数据 .
1 实验装置和测试方法
11 1 实验装置
Fig1 1 Schematic diagram of experimental apparat us
1— conductivity probe ; 2 — conductivity2meter ; 3 — A/ D transfer card ; 4— AS T/ 386 comp uter ; 5 — test section ; 6 — gas dist ributor ; 7— liquid dist ributor ; 8 — secondary liquid dist ributor ; 9— air flow2meter ; 10 — buffer tank ; 11 — air co mp ressor ; 12 — particle metering tank ; 13 — passage2way for particle ; 14 — butter valve ; 15 — particles reservoir ; 16 — liquid flow2meter ; 17 — liquid reservoir ; 18 — cent rif ugal p ump ; 19 — filter ; 20 — liquid2solid separator ; 21 — secondary liquid2solid separator
引 言
气2液2固三相循环流化床 ( GL S TCFB ) 除了
具有传统三相流化床的优点外 , 还具有自身独特的 优点 . 如三相流化床生物反应器通常用一些轻和小 的固体颗粒 [ 1 ] , 循环操作不仅能够提高固相的充分
2004 - 10 - 14 收到初稿 , 2005 - 02 - 04 收到修改稿 .
) , 男 , 副教 联系人 : 刘明 言 . 第 一作 者 : 曹 长青 ( 1965 —
Received date : 2004 - 10 - 14.
Corre sponding author : L IU Mingyan. tju1 edu1 cn
E - mail : myliu @
ห้องสมุดไป่ตู้
授 , 博士研究生 .
Table 1 Physical properties of three phases and operation conditions
Physical properties Phases ) air (20 ℃ ) water (20 ℃ 01 05 %( mass) SCMC 01 20 %( mass) SCMC glass beads st yrene resins Fluid densit y ρ / kg ・ m- 3 11 2 9981 2 9971 4 9991 2 2460 1264 721 0 761 23 721 17 51 87 11 25 01 48 11 45 Surface tension σ m- 1 l / mN ・ Sedimentation rate Average diameter ut × 10 2 / m ・s - 1 d× 10 3 / m Operation conditions Fluid viscosit y μ× 10 5 / Pa ・ s 11 81 1001 5 3321 2 18171 6 Fluid velocit y u/ cm ・ s- 1 0— 61 8 0— 121 5 0— 121 5 0— 121 5
[2 ]
溶液为液相 , 玻璃珠 ( dp = 01 48 mm , ρ s = 2460 kg ・ - 3 ) ( ρ m 和苯乙烯树脂 dp = 11 45 mm , s = 1264 kg ・ - 3 ) m 为固相 . 用离心泵从储槽将液体分两股引入流化床 . 一 股称为主流体 , 从塔底进入 ; 另一股称为辅助流 体 , 从低于颗粒入塔口位置进入上升段 . 多孔板置 于固体颗粒入口和辅助流体入口之间 , 用于辅助流 体的合理分布 , 以减小固体颗粒的运动阻力 , 增加 颗粒的循环 . 液体分布器和气体分布器详细结构尺 寸见文献 [10 ]. 固体颗粒从床的顶部加入 , 在气2 液分离器中分离 , 固体颗粒返回到颗粒储槽 . 通过 一定时间间隔 , 测量计量槽中颗粒的收集量来确定 颗粒的循环速率 U d . U d 通过调节主流体和辅助流 体流量比得到控制 . 实验体系物性与操作条件见表 1.
第 56 卷 第 11 期 2005 年 11 月
化 工 学 报 Vol1 56 No1 11 Journal of Chemical Indust ry and Engineering ( China) November 2005
研究论文
气2液2固三相循环流化床局部相含率分布
曹长青 , 刘明言 , 王一平 , 秦秀云 , 胡宗定
( 天津大学化工学院 , 天津 300072)
摘要 : 应用自行开发的微电导探针测试技术 , 以玻璃珠 ( dp = 01 48 mm , ρ m - 3 ) 和苯乙烯颗粒 s = 2460 kg ・ - 3 ( dp = 11 45 mm , ρ m ) 为固相 , 空气为气相 , 水及 01 05 % 、01 20 % ( 质量) SCMC ( 羧甲基纤维素 s = 1264 kg ・ 钠) 水溶液为液相 , 对三相循环流化床 ( TCFB) 的各相局部含率进行了同时测定 . 考察了不同表观液体速度 、 辅助液体速度 、液体黏度及颗粒密度对局部相含率轴径向分布的影响 . 在不同操作条件下 , 获得了 1286 套局部 相含率实验数据 . 给出了局部固含率和局部气含率与操作条件 、流体物性及床层轴径向位置的关联式 , 关联式的 计算值与实验值吻合较好 . 关键词 : 气2液2固三相循环流化床 ; 微电导探针 ; 局部相含率 ; 轴径向分布 ; 局部相含率关联式 中图分类号 : O 359 文献标识码 : A 文章编号 : 0438 - 1157 ( 2005) 11 - 2089 - 07
( S chool of Chemical En gi neeri n g an d Technolog y , Ti an j i n U ni versit y , Ti anj i n 300072 , Chi na)
Abstract : Local p hase holdup s in gas2liquid2solid t hree2p hase circulating fluidized beds wit h glass beads ( dp = 01 48 mm , ρ m - 3 ) and st yrene resin ( dp = 11 45 mm , ρ m - 3 ) as solid p hases s = 2460 kg ・ s = 1264 kg ・ were measured simultaneo usly by t he imp roved micro2co nductivit y p ro be technique wit h air as gas p hase and water and 01 05 % ( mass ) , 01 20 % ( mass ) SCMC as liquid p hases under a wide range of operating co nditio ns1 The axial and radial dist ributio ns of local p hase holdup s were st udied under different operating co nditio ns , liquid visco sit y values and particle densit y values. 1286 set s experimental data were o btained. Correlatio ns of local solid holdup and gas holdup as a f unctio n of operating co nditio ns and fluid p hysical p roperties as well as axial and radial distances were established respectively1 The calculated local solid holdup and gas holdup dist ributio n p rofiles were co mpared wit h t ho se measured by t he micro2co nductivit y p ro be technique. The correlatio ns co uld describe well t he dist ributio n of local solid holdup and gas holdup o bserved experimentally. Key words : t hree2p hase circulating fluidized bed ; micro2elect rical co nductivit y p ro be ; local p hase holdup ; axial and radial dist ributio n ; correlatio ns of local p hase holdup