三相气升式环流反应器研究.docx

三相气升式环流反应器研究《化学工业与工程技术杂志》2014年第二期1实验部分1.1实验装置实验采用的中心气升式内环流反应器(材料为有机玻璃)内径0.09m高2m;导流筒(材料为PVC)内径0.06m壁厚0.0023m高1.55m;空气分布器为圆柱形有机玻璃分布器分布器开孔的直径0.5mm共18个。实验流程见图1。1.2实验条件常温常压下将瓷球(dp为4.4mm5.9mmρp=2268.3kg/m3)、硅铝球(dp=2.6mmρp=3266kg/m3)、石英砂(dp=0.25mmρp=2650kg/m3)分别与空气、水组成三相物系。实验起始静液高1.6m底部间隙22mm导流筒内表观气速为0.021~实验的三相物系:物系Ⅰ———瓷球－空气－水物系Ⅱ———硅铝球－空气－水物系Ⅲ———石英砂－空气－水。1.3实验原理1.3.1气含率和固含率的测量在气－液－固三相物系中将U型压差法与直接取样法结合测量液固两相的相对固含率(ε''''s)即平均波幅δ即相含率的相对偏差定量描述相含率分布的均匀程度。δ越小相含率轴向分布越趋于均匀。本文设定当δ≤5%时相含率轴向分布可视为均匀。1.3.2循环液速的测量采用电导法测量循环液速根据连续性方程得2结果与讨论2.1上升区固含率随轴向高度增加的变化规律对于物系Ⅰ表观气速4.456cm/s不同固体装载率、不同颗粒粒径时上升区固含率轴向分布规律见图2。由图2可见:对于物系Ⅰ固定表观气速、不同固体装载率、不同颗粒粒径时上升区固含率随轴向高度的增加呈先增加后减小的趋势中间存在极值;固含率极大值的轴向高度随固体装载率的增加而升高。因为分布器区(H≤30cm)内较高的系统能量使颗粒上升到轴向位置较高处固含率沿轴向增大。随着轴向高度的增加液相流通横截面积增大液体线速度减小当循环液速小于颗粒的沉降速度时瓷球开始沉降固含率沿轴向减小。随着固体装载率的增加流体流动阻力增大循环液速降低颗粒不易上升而分布在轴向位置较低处的机率增加导致固含率极大值所在的轴向高度增加。对于物系Ⅱ、物系Ⅲ表观气速2.492cm/s不同固体装载率(φ%下同)下上升区固含率轴向分布规律见图3。由图3可见:不同固体装载率时物系Ⅱ中上升区固含率随轴向高度的增加而减小;物系Ⅲ中上升区固含率分布均匀(δsr≤5%)。因为只有当固体颗粒的沉降速度小于循环液速时颗粒才循环运动否则沉降。Cova提出以单颗粒在静止液体中颗粒沉降速度作为颗粒的沉降速度本实验中硅铝球与石砂的自由沉降速度之比为412所以固定表观气速物系Ⅱ不能提供足够能量维持颗粒环流运动使固含率沿轴向减小;而物系Ⅲ中颗粒均匀分布。相同轴向高度下物系Ⅲ中上升区固含率较低。因为石英砂沉降速度较低更多颗粒被携带到环隙内导致上升区固含率不高。2.2上升区气含率随轴向高度增加的变化规律对于物系Ⅰ表观气速4.456cm/s不同固体装载率、不同颗粒粒径时上升区气含率轴向分布规律见图4。由图4可见:不同固体装载率、不同颗粒粒径时物系Ⅰ中上升区气含率随轴向高度的增加而增大。因为轴向位置较低处的固含率较高气相所占体积较小;但压力随着轴向高度的增加而降低气泡体积逐渐增大使气含率沿轴向增大。相同固体装载率时各轴向位置处的气含率随颗粒粒径的增大而增大与细颗粒系统结论相同。因为大颗粒对气泡有破碎作用并且颗粒粒径越大在导流筒下部分布越多流动阻力较大气泡运动速度降低使气含率增加。相同颗粒粒径时各轴向位置处的上升区气含率随固体装载率的增加而增大此结论与文献［8］相反。因为若颗粒粒径为几微米颗粒增加主要导致流体混合黏度增大气泡聚并显著大气泡数量增多气含率降低;若粒径为几毫米颗粒颗粒增多主要表现为固体比表面积增大流体流动阻力增加循环液速和气泡运动速度都降低气含率增加。对于物系Ⅱ、物系Ⅲ表观气速2.492cm/s不同固体装载率下上升区气含率轴向分布规律见图5。由图5可见:对于物系Ⅱ不同固体装载率时上升区气含率随轴向高度的增加而减小。因为随轴向高度的增加固含率减小流体流动阻力降低气泡运动速度逐渐加快使气含率沿轴向减小。对于物系Ⅲ当轴向高度H≤75cm时上升区气含率随轴向高度的增加而增大;轴向高度H＞75cm时上升区气含率减小。因为分布器区内气泡具有较高初速度气含率沿轴向增大但达到一定高度后均匀分布的石英砂粒径较小固体比表面积较大流体流动阻力较高气泡运动速度开始降低气含率沿轴向减小。与物系Ⅰ一致物系Ⅱ与物系Ⅲ中各轴向位置处的上升区气含率随固体装载率的增加而增大。由图5还可见:物系Ⅱ中气含率分布随固体装载率的增大而趋于不均匀而物系Ⅲ却相反。因为低气速时气含率受颗粒影响显著。物系Ⅱ中固含率轴向分布随固体装载率的增加而趋于不均匀气含率随之