三相多室环流反应器的流动特性

三相多室环流反应器的流动特性张文飞;刘永民;王丽朋【摘要】在空气-水-石英砂三相多室气升式环流反应器(MALR)中,依据能量平衡原理及漂流通量模型,考虑到三相流动中固体颗粒相互作用产生的能量损失,建立了上升室气含率和循环液速的预测模型.在表观气速1.2～4.2 cm/s范围内,研究了气含率、固含率、循环液速随操作条件的变化规律.结果表明,气含率随着表观气速的升高先增大后趋于平缓；固含率与表观气速的关系不大,只是随着固体装载量的增加而增大；循环液速随着表观气速的升高先增大而后略有下降,随着固体装载量的增加而减小.最后用实验结果对所建立的模型进行了验证.%The models of gas holdup in riser and liquid circulation velocity were established on the basis of energy balance principle and drift-flux model for a three-phase system of air-water-quartz particles in multi-compartment airlift loop reactor (MALR), taking the energy dissipation due to the interaction between the solid particles into account. The effects of airflow rate, solid loading on hydrodynamic characteristics—gas holdup, solid holdup, liquid circulation velocity were investigated in a range of superfacial gas velocity 1. 2 —4. 2 cm/s. The results showed that the gas holdup in riser increased with the increase of superfacial gas velocity and then tended to be constant, and the solid holdup was independent on the superfacial gas velocity and only increased with the increase of the solid loading. The liquid circulation velocity increased and then somewhat decreased with the increase of superfacial gas velocity, while decreased as the solid loading increased. A good agreement between calculated and experimental data was obtained.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2012(028)004【总页数】6页(P625-630)【关键词】多室气升式环流反应器(MALR);气升式环流反应器;气含率;循环液速;固含率【作者】张文飞;刘永民;王丽朋【作者单位】辽宁石油化工大学石油化工学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油化工学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油化工学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TQ052环流反应器由于其传质性能好、能耗低、剪切力小等优点，在石油化工、生物工程、环保、冶金等领域已得到广泛的应用。

众多研究发现［1］，多级型式的环流反应器具有更高的传质系数，而且能耗更低，除结构略显复杂外，许多方面都要优于单级反应器，在废水处理领域已有成功应用的报道［2］。

在本研究中，采用具有4室卧式串联结构的多室气升式环流反应器（MALR）。

器内的流体沿着4个室进行循环流动，由于这一特点，该装置在工业上能适用于催化－再生连续循环进行的气－液或气－液－固反应，还可以适用于以双金属盐的芳烃溶液分离一氧化碳的络合分离过程［3］。

目前，该装置已成功应用于氯化钯催化FCC干气直接制备乙醛的工艺［4］。

目前，MALR循环流动的预测模型的建立主要依据能量平衡原理，并结合漂流通量模型；研究以两相体系居多，即使对于三相体系，也大多忽略了因固相引入而造成的能量损失。

但实际上，固体的加入会对流体流型产生严重的影响，因此，考虑到由固相的引入导致固体颗粒相互作用产生的能量损失，笔者提出了相互作用系数（k），在能量平衡原理及漂流通量模型基础上，建立了三相MALR中上升室气含率和循环液速的预测模型，并用空气－水－石英砂为三相物系的实验数据对该模型进行了检验。

1 多室气升式环流反应器（MALR）的实验装置及其测量原理多室气升式环流反应器的主体结构示意图见图1。

该反应器用有机玻璃制成，其内径为176mm，高为1000mm，中间放置1块十字隔板将反应器均分为4个室，操作流体在反应器内沿1－4－3－2室的顺序依次流过4个室。

图1 多室气升式反应器的主体结构示意图Fig.1 Schematic of the main part of multi－compartment airlift reactor1，2，3，4—Channel；5—Gas sparger在常温常压下，采用空气－水－石英砂为实验体系。

石英砂的密度2.645g／cm3，颗粒直径0.6～0.9mm。

选取固体装载量分别为230g、460g、920g，即固相质量分数（w）分别为1.3%、2.6%和5.2%，各上升室表观气速在1.2～4.8cm／s范围内，静液高750mm。

结合压差法和容量法测定气含率、固含率［5］，用电导脉冲法测定循环液速。

2 MALR的理论部分MALR内物料循环的能量都源于两室输入气体的等温膨胀能（Ei1和Ei3）。

能量耗散的方式很多，包括由固相的引入而增加的固相颗粒相互作用造成的能量损失（Einr）、上升室气泡尾涡作用造成的能量损失（Er1、Er3）、下降室气体阻滞作用造成的能量损失（Ed2、Ed4）、顶部、底部拐角流动方向改变造成的局部阻力损失（Et、Eb）以及直管壁面的摩擦损失（Ef）。

根据能量平衡［6］，有表达式（1）。

因MALR直管段较短，忽略壁面摩擦的影响。

MALR顶部是敞开的，能量损失相对底部可忽略不计，而底部连接处的局部阻力损失系数由局部阻力损失系数公式及范宁公式给出，见式（2）。

对MALR，在固相加入之前，相同气速下气、液两相已经处于腾涌流，而石英砂的加入有效地破碎了大的气泡，使器内气、液呈均匀鼓泡流，而在上升室中液速沿径向的分布很不均匀，导致固体在不同径向位置的颗粒沉降速率不同，造成了能量的损失。

由于固体颗粒对流体流型的严重影响，笔者提出了三相流动中固体颗粒相互作用所造成的能量损失Einr，可用式（3）表示。

式（3）中的k为相互作用系数，它与固体颗粒的脉动频率直接相关。

在流动过程中，固体颗粒主要受到自身重力、液相曳力和浮力的作用，颗粒脉动情形的变化可以归结为各操作参数与物性的影响。

而表观气速是调节流体流动最重要的操作参数，且k无量纲，于是将其表示成基于气速的雷诺数（Re＝deugr1ρm1／μL）与固体质量分数（w）的函数，见式（4）。

最后，将各能量损失项按文献［6］分别写出并整理，得到循环液速的计算模型，见式（5）。

由于下降室的固含率很小［5］，可忽略不计，下降室的液－固拟均相密度可近似为液相的密度，记作ρm2＝ρm4＝ρL。

而上升室的液－固拟均相密度用式（6）表示。

式（5）中隐含上升室的固含率，由于固含率受到气体表观速率、固体颗粒的装载量、粒径及反应器结构的影响较大，综合这些因素，采用无因次分析法对固含率进行关联，得到式（7）。

下降室的气含率可按式（8）进行关联［5］。

此外，式（5）中上升室的气含率还是未知项，该式无法独立解得液体速率。

于是，又对上升室应用漂流通量模型［7］，得到式（9）。

式（9）中的C0为分布系数，它反映了气泡大小、固体颗粒和液体速率分布的不均匀性，ubt为单个气泡的终端上升速率，多数研究都将其视为经验参数［4］。

式（5）、式（9）为MALR的循环流动模型。

在式（9）中，固体颗粒的表观速率（usr1）可由固含率及颗粒线速率决定，而颗粒线速率即液相的线速率与颗粒的终端沉降速率之差［7］，如式（10）所示。

3 结果与讨论3.1 MALR各室的气、固含率图2为固定3室的表观气速为1.8cm／s，在不同固体装载量（w）时1室的气含率与表观气速的关系。

由图2可以看出，1室的气含率随着其表观气速的升高而增大，表观气速较高时气含率的增加幅度变缓，这是因为气泡在高气速下更容易发生聚并。

图2 固定3室表观气速（εgr3）为1.8cm／s和不同固体装载量（w）时1室的气含率（εgr1）与表观气速（ugr1）的关系Fig.2 Gas holdup（εgr1）as a function of superfacial gas velocity in riser 1（ugr1）at different solid loading（w）and ugr3＝1.8cm／s固定1室表观气速，在w≤2.6%时，固体装载量的变化对气含率的影响很小，这是由于，一方面，固体的加入增加了流体循环流动的阻力，循环液速降低，气泡的停留时间变长，而且固体的存在可以破碎一些较大的气泡，使小气泡增多，气含率升高；另一方面，随着固体量的增加，液－固拟均相的密度增大，浮力增大，气泡上升速率加快，气含率降低。

在固体装载量较小时，2种因素造成的影响互相抵消，气含率没有太大的变化。

当w＞2.6%时，随着固体装载量的增加，流动阻力显著增加，液速降低，气含率有所上升。

图3为不同固体装载量时，1、4室的固含率与1室表观气速的关系。

由图3可知，1室的固含率随表观气速的变化不大。

固定1室表观气速，固含率随着固体装载量的增加而增大。

4室固含率也有着类似的变化规律，但数值较小。

图3 不同固体装载量（w）时1、4室固含率（εsr1、εsr4）与1室表观气速（ugr1）的关系Fig.3 Solid holdup in channel 1and 4（εsr1、εsr4）as a function of superfacial gas velocity in riser 1（ugr1）at different solid loading（w）3.2 MALR的循环液速图4为固定3室表观气速为1.8cm／s，不同固体装载量时循环液速与1室表观气速的关系。