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）。