三相环流反应器流体力学行为

第56卷 第7期 化 工 学 报 V ol 56 N o 7

2005年7月 Jo urnal o f Chemical Indust ry and Eng ineering (China) July 2005

研究简报

三相环流反应器流体力学行为

张同旺,高继贤,王铁锋,王金福

(清华大学化学工程系,北京100084)

关键词:气升式环流反应器;气含率;循环液速;膨胀率

中图分类号:T Q 021 文献标识码:A

文章编号:0438-1157(2005)07-1213-05

Hydrodyn amic behavior in three -phase extern al loop airlift reactors

ZH AN G Tongwang,GAO Jixian ,WAN G Tiefeng,WAN G Jinfu

(D ep ar tment of Chemical Eng ineer ing ,T sing hua Univer sity ,Beij ing 100084,China)

Abstract:T he inv estig ation of hydr ody namic behav io r in three -phase external lo op airlift reacto rs is impo rtant to their design and scale -up Pressure difference w as used to m easure g as holdup and ultrasonic

Doppler anemom etry w as used to m easure liquid velocity Gas ho ldup,liquid velocity and expansion r ate increased w ith increasing superficial gas v elo city U nder the sam e superficial g as v elo city,g as holdup increased w ith increasing static solid heig ht,and decreased w ith increasing solid par ticle diameter Adding large particles could increase interfacial ar ea,increase gas residual tim e and intensify m ass transfer Liquid circulation velocity and expansio n rate decreased w ith increasing solid particle diameter and static so lid height.Liquid v elo city could be co ntrolled in a suitable range by adding particles to improve the performance in airlift loop r eacto rs.

Key words:airlift loop r eacto r;g as ho ldup;liquid circulation velocity;ex pansion rate

2004-09-25收到初稿,2005-01-29收到修改稿.

联系人:王金福.第一作者:张同旺(1975 ),男,博士研究生.

引 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、容易实现工业放大等优点,在石油、化工、电化学和生物化工等领域得到了广泛应用[1].随着能源形势的日趋紧张,环流反应器在液相法合成甲醇、浆态床一步法合成二甲醚、煤液化等过程中的应用得到许多研究人员的重视,并取得了重要的研究进展.由于目前对其内部流动行为尚缺乏系统的认识,进行工业设计和操作过程中仍显理论指导不足,因此对三相环流反应器的流动

和传递过程规律进行深入研究具有十分重要的理论意义和工程价值.

Received date:2004-09-25.

Correspon ding author:Prof.W ANG Jinfu.E -mail:w angjf@flotu org

与人们已开展了较多研究的气液固三相流化床不同[2,3],三相环流反应器中液体一般为间歇式,且循环液速决定于上升管和下降管间的表观密度差,但目前关于三相环流反应器流动行为的研究还很少.Osterg aar d 等[4]曾研究了颗粒加入对流化床内传质速率的影响,但目前尚未有关于颗粒装填量和颗粒直径对环流反应器内流动行为影响进行系统研究的报道.本文详细考察了表观气速、颗粒装填量和颗粒粒径对各流体力学参数的影响.

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 2m,内径100mm ;下降管高度2 75m,内径100m m,气体分布器为孔板分布器,孔径为1m m,间距20mm,开孔率0 25%.气体经转子流量计和气体分布器进入上升管,由于上升管和下降管间气含率的不同使两管间形成了密度差,推动液体在上升管和下降管间循环流动.实验以空气-水-玻璃珠为研究体系,各相的物理性质如表1所示

.

Fig 1 Scheme of ex per iment appar atus

1 ris er;

2 dow n -com er;

3 gas -liquid s eparator;

4 gas distrib utor;

5 flow meter;

6 valve;

7 compressor;8 manometer

Table 1 Properties of materials used in experiments

Component Substance

d p /mm b

/Pa s

/kg m -3

particle 1glass bead 30 3714 2400particle 2glass bead 10 50 3770 2400particle 3glass bead 120 3770 2400particle 4glass bead 160 3825 2400liquid w ater 0 9 10-3

998gas

air

1 2

1 2 测量方法

由于实验过程中液速较低,液体流动阻力对轴向的压差影响很小,因此可以采用压差法测量环流反应器内的气含率

[5]

.在上升管侧壁开有7个测

孔,利用倒U 管压差计测量不同测孔间的压差 p ,其与各相含率存在如下关系

[6]

p =( g g + l l + s s )gH h - l g H h

(1)

式中 H h 为两测孔间的轴向距离.由于各相含率之和符合关系

g + l + s =1

(2)

故两测孔间的气含率可表示为

g = s

s

l - p l gH

h

(3)

当测孔位置高于颗粒膨胀高度时,两测孔间的固含率为零,气含率可根据式(3)直接求得.

采用超声多普勒测速仪测量下降管中的液体轴向速度[7],根据运动粒子的多普勒效应测量液相速度.由于本文主要考察反应器处于固定床区或流化床区时的流动行为,颗粒只出现在上升管中,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,并且水中的悬浮

物具有较好的跟随性,故测得的速度即为下降管中的液体运动速度[8],又因为下降管直径与上升管直径相等,所以测得的液速等于上升管中的表观液速.

2 结果与讨论

三相环流反应器的流体力学参数主要有流型、气含率、循环液速、膨胀高度等[2].气速较低时,

固体颗粒沉积在反应器底部,颗粒间没有相对运动,此时为固定床区(packed bed mode,PBM );气速增大,颗粒开始被流化并做无序运动,此时为流化床区(fluidized bed m ode,FBM );继续增大气速,颗粒床层逐渐膨胀,当气速达到一定数值后,颗粒床层膨胀至反应器顶部并开始循环,此时

为循环床区(cir culated bed mo de,CBM ).2 1 膨胀率

在固定床区和流化床区,颗粒床层的膨胀高度是考察反应器内流动行为的一个重要参数.由于静止颗粒高度不同,膨胀高度的起始位置也不相同,为了研究方便,定义膨胀率为一定表观气速下膨胀高度与静止高度的比值.在固定床流区,颗粒床层的膨胀率为1.加入大颗粒具有强化传质的作用,但颗粒循环使得上升管内的大颗粒浓度降低,不利于强化传质,且循环液速过高也使得气相停留时间缩短,不利于反应器性能的提高;对于一些液相连续操作的环流反应器,过高的床层膨胀率会使部分大颗粒被夹带离开反应器,不仅增加了分离的难度还会降低反应器的传质性能,因此本文主要考察固

定床区和流化床区的流动行为.

静止颗粒高度一定时,不同颗粒粒径条件下的

床层膨胀率随表观气速的变化如图2所示.表观气

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