多相氣升式環(huán)流反應(yīng)器局部相含率和環(huán)流速度

李紅星

（中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院，北京100101）

目前，氣升式環(huán)流反應(yīng)器（air lift reactor，ALR）已在生化工程、環(huán)境工程等方面廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)中對(duì)其流動(dòng)特性也有大量研究和報(bào)道，包括氣／液兩相和氣／液／固三相體系［1－4］以及對(duì)固體和表面活性物質(zhì)作用的考察［5－7］等。對(duì)ALR這類多相接觸設(shè)備而言，表征其流動(dòng)特性的參數(shù)主要是床中相含率和循環(huán)速度。但是在先前的研究中，對(duì)相含率的研究多是集中在全床平均氣含率或者導(dǎo)流筒內(nèi)、外平均氣含率［1－4，8］的研究，對(duì)于氣含率的軸／徑向分布特性報(bào)道不多［9－10］，對(duì)固相在床層中分布特性研究也很少［10－11］；有關(guān)循環(huán)速度也多是報(bào)道平均環(huán)流速度［1，2，4，9］，對(duì)局部漿（液）相循環(huán) 速 度在 床 層 中的分布特性研究不多［10，12］。本工作在較高固相濃度下，研究固含率及液體物性等對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器中氣含率軸向分布、漿液循環(huán)速度分布以及固含率軸、徑向分布等流動(dòng)參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)所用的環(huán)流反應(yīng)器裝置為φ0.2×2.5m有機(jī)玻璃反應(yīng)器，如圖1所示。導(dǎo)流筒為φ0.140×0.005m的有機(jī)玻璃，高度1.5m，下沿距分布器50mm；分布器為中心進(jìn)氣式多孔板結(jié)構(gòu)，小孔呈正三角形排布，孔徑及開(kāi)孔數(shù)目為φ3×36，分布板開(kāi)孔率為0.81%。實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，兩相體系為空氣－水及乙醇水溶液（體積分?jǐn)?shù)分別為0.03%、0.10%、0.50%），后者的表面張力數(shù)據(jù)見(jiàn)表1；三相體系空氣－水－玻璃珠，玻璃珠密度為2400kg／m3，平均粒徑200.9μm；實(shí)驗(yàn)表觀氣速范圍為0.027～0.135m／s，漿相中固體平均裝填量分別為10%、20%和30%；液面靜止高度均為1.5m。

表1 水溶液的表面張力

實(shí)驗(yàn)中，利用差壓法［13］測(cè)取了床層截面平均氣含率，在反應(yīng)器軸向位置上安裝了3個(gè)差壓傳感器，分 別 測(cè) 量0.21～0.41m、0.615～0.815m、1.015～1.215m間3個(gè)床層微分段上的差壓，借以考察軸向上氣含率的不均勻性。差壓信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換由計(jì)算機(jī)采集，采樣頻率為100Hz。采用自制背靠背Pitot管［14］測(cè)取床層局部漿（液）速。采用直接放料取樣方法［15］測(cè)定局部漿相固含率。測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性檢驗(yàn)表明，本文差壓法測(cè)氣含率、背靠背Pitot管測(cè)漿速以及取樣法測(cè)固含率的平均相對(duì)誤差分別為5.9%，4.7%和6.2%，故測(cè)量誤差在可以接受的范圍。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

2 結(jié)果與討論

2.1 截面平均氣含率軸向分布

實(shí)驗(yàn)中由3個(gè)壓差測(cè)量得到導(dǎo)流筒內(nèi)、對(duì)應(yīng)軸向位置0.310m、0.715m和1.115m三處的截面平均氣含率。首先，圖2（a）示出氣液兩相體系截面平均氣含率的軸向分布?？梢?jiàn)，在表觀氣速較高時(shí)，局部平均氣含率在軸向高度0.715m處出現(xiàn)了中間極值，并非如鼓泡床中那樣隨軸向位置單調(diào)增大；楊海光等［9］也報(bào)道過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2（b）示出體系加入乙醇后的結(jié)果，可見(jiàn)與前述不同，此時(shí)氣含率軸向分布變得相對(duì)比較平緩。對(duì)此可能的解釋為：表觀氣速的增大促進(jìn)了氣泡的破裂，使得床層內(nèi)某一位置處的小氣泡增多；在接近導(dǎo)流筒頂部位置，氣泡分離加快，氣含率偏低；而乙醇的加入改變了體系界面性質(zhì)和氣泡的分散狀態(tài)，故氣含率分布呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。

其次，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了空氣－水－玻璃珠三相體系導(dǎo)流筒內(nèi)截面平均氣含率的軸向分布，如圖3所示。由圖3可以看出：在較高固體濃度（圖3（a）中對(duì)應(yīng)30%）和較低固體濃度（圖3（b）中對(duì)應(yīng)10%）下，軸向分布趨勢(shì)基本相同。在低表觀氣速時(shí)，氣含率軸向分布趨勢(shì)基本和兩相體系相同；而在較高表觀氣速時(shí)，氣含率軸向分布不存在極值，整體分布趨于均勻。

2.2 漿（液）相局部循環(huán)速度的徑向分布

對(duì)氣－液兩相體系，考察了乙醇加入量對(duì)液相循環(huán)速度徑向分布的影響，如圖4所示?？梢?jiàn)，隨著乙醇的加入，液速值及其分布梯度略有降低，但其影響很小。乙醇的加入使得體系表面張力有一定降低，從而促進(jìn)了氣泡的破碎，小氣泡增多，但對(duì)液相整體循環(huán)運(yùn)動(dòng)的影響并不明顯。

圖4 氣液體系乙醇添加量對(duì)軸向循環(huán)液速的影響

王國(guó)勝等［16］在間歇床研究氣－液兩相體系及三相體系時(shí)，加入乙醇得出的結(jié)論為循環(huán)漿速增大。Tobajas等［17］應(yīng)用能量方程理論對(duì)其進(jìn)行了解釋，體系黏度增加，床層內(nèi)由于液體循環(huán)所消耗的的能量增加，使得液體速度降低。Freitas等［6］在環(huán)流漿態(tài)床內(nèi)加入乙醇調(diào)節(jié)液相的表面張力，發(fā)現(xiàn)表面張力降低，對(duì)液體速度影響很小。

圖5示出了固體體積分?jǐn)?shù)30%時(shí)，不同表觀氣速下循環(huán)漿速的徑向分布。可以看出：漿速隨表觀氣速增加而增加，在較高表觀氣速時(shí)，漿速增勢(shì)減緩；在導(dǎo)流筒內(nèi)，中心處液速最高，壁處最低；而在下降管內(nèi)，近導(dǎo)流筒壁處漿速最低。這是由于表觀氣速增大使得反應(yīng)器中心區(qū)域的氣流上升速度加快，漿相跟隨氣泡尾渦上升的速度隨之變快，使得床層中整體回流加強(qiáng)，速度分布徑向梯度增大。這與常規(guī)的氣／液鼓泡床中實(shí)驗(yàn)結(jié)果［19］以及張同旺等的實(shí)驗(yàn)結(jié)論［10］一致。

圖5 不同表觀氣速下的軸向漿速?gòu)较蚍植?/p>

2.3 固含率軸、徑向分布

圖6示出了軸向高度為H＝1.215m處導(dǎo)流筒內(nèi)漿相固含率的徑向分布?？梢钥闯觯趯?dǎo)流筒內(nèi)，固含率在徑向上呈拋物分布，靠近導(dǎo)流筒壁區(qū)域（r／R＝0.5～0.65）固含率較高；在環(huán)隙區(qū)域，靠近反應(yīng)器外壁的固含率較高?？傮w上，表觀氣速增大使得導(dǎo)流筒內(nèi)固含率降低，而環(huán)隙區(qū)域固含率增大。

圖7示出了固體體積分?jǐn)?shù)30%下，導(dǎo)流筒內(nèi)截面平均固含率［圖7（a）］和環(huán)隙外壁局部固含率［圖7（b）］的軸向分布?？梢?jiàn)，導(dǎo)流筒內(nèi)平均固含率隨床高變化不大，這與鼓泡床［20］中固含率隨床高的增加而減小的結(jié)論不同；環(huán)隙中的氣泡流動(dòng)較小，對(duì)顆粒的夾帶能力大大減弱，湍動(dòng)程度也較小，環(huán)隙中的固含率在軸向上比較均勻。文獻(xiàn)［18］得出結(jié)論，固含率一般隨床層的增高而增大；張濂等［21］在連續(xù)噴動(dòng)床中發(fā)現(xiàn)氣－液－固三相系統(tǒng)固含率隨表觀氣速和表觀漿速的增大而逐漸趨于均勻。

圖8給出了不同固體體積分?jǐn)?shù)下加入乙醇對(duì)截面平均固含率軸向分布［圖8（a）］以及局部固含率徑向分布［圖8（b）］的影響。不難看出，在同樣固體體積分?jǐn)?shù)（30%）下，加入乙醇后對(duì)導(dǎo)流筒內(nèi)固含率的軸、徑向分布影響不大。這與前述加入乙醇對(duì)漿（液）循環(huán)的效應(yīng)是相容的，也即，雖然乙醇的加入使導(dǎo)流筒內(nèi)的小氣泡增多、氣含率增大，但對(duì)漿（液）循環(huán)影響不大，故對(duì)固含率分布也沒(méi)有大的影響。

3 結(jié) 論

在φ200×2500mm氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)，研究了空氣－水兩相及空氣－水－玻璃珠三相體系中整體和局部氣、固相含率以及漿（液）相環(huán)流分布隨操作條件及液相物性的變化規(guī)律。有以下結(jié)論。

（1）兩相體系導(dǎo)流筒中截面平均氣含率軸向分布有極值，而固體和乙醇的加入使得氣含率軸向分布平緩。

（2）兩相體系循環(huán)液速在導(dǎo)流筒中徑向呈拋物分布，在環(huán)隙分布較均勻，加入固體和乙醇后對(duì)循環(huán)速度影響不大。

（3）三相體系中導(dǎo)流筒內(nèi)固含率沿軸向升高呈增大趨勢(shì)，環(huán)隙內(nèi)軸向分布均勻；導(dǎo)流筒內(nèi)、外固含率徑向分布均不均勻，以近壁處為大；加入乙醇后對(duì)固含率分布影響不大。

（4）對(duì)ALR中局部流動(dòng)特性的考察所得結(jié)果，對(duì)進(jìn)一步揭示這類反應(yīng)器的局部傳遞特性以及提供理論模型（如計(jì)算流體力學(xué)模型）的實(shí)證數(shù)據(jù)有意義，也可供這類反應(yīng)器開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)參考。

符號(hào)說(shuō)明

H——軸向距離，m

R——反應(yīng)器半徑，m

r——徑向距離，m

U——表觀速度，m／s

u——線性速度，m／s

ε——相含率

φ——直徑

下角標(biāo)

av——平均

g——?dú)庀?/p>

l——液相

s——固相

sl——漿相

［1］ Hwang S J，Cheng Y L.Gas holdup and liquid velocity in three－phase internal－loop airlift reactor［J］.Chemical EngineeringScience，1997，52（21／22）：3949－3960.

［2］ Lu X P，Ding J，Wang Y R，et al.Comparison of the hydrodynamics and mass transfer characteristics of a modified square air－lift reactor with common airlift reactors［J］.ChemicalEngineeringScience，2000，55（12）：2257－2263.

［3］ 王紅心，王國(guó)勝.氣升式反應(yīng)器流動(dòng)行為研究－平均氣含率的影響［J］.遼寧化工，2001，30（3）：95－97.

［4］ 徐紹莉，劉永民，孫桂大.多管氣升式環(huán)流反應(yīng)器的循環(huán)液速和氣含率［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2000，13（1）：18－22.

［5］ Livingston A G，Zhang S F.Hydrodynamic behavior of three－phase（gas－liquid－solid）airlift reactors［J］.ChemicalEngineeringScience，1993，48：1641－1654.

［6］ Freitas C，Teixeira J A.Effect of liquid－phase surface tension on hydrodynamics of a three－phase airlift reactor with an enlarged degassing zone［J］.Bioprocess Engineering，1998，19：451－457.

［7］ 王維，李佑楚，石炎福.低分子量有機(jī)添加劑對(duì)內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器中氣含率和氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響［J］.化工冶金，1999，20（2）：182－186.

［8］ Chisti Y，Wenge F，Moo－Young M.Relationship between riser and down－comer gas holdup in internal－loop airlift reactors without gas－liquid separators［J］.TheChemical EngineeringJournal，1995，57：B7－B13.

［9］ 楊海光，范軼，李飛，等.氣升式環(huán)流反應(yīng)器在不同體系下的循環(huán)液速和局部氣含率［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2003，17（1）：37－41.

［10］ 張同旺.氣升式環(huán)流漿態(tài)床流動(dòng)與傳質(zhì)行為的研究［D］.北京：清華大學(xué)，2005.

［11］ Kochbeck B，Lindert M，Hempel D C.Hydrodynamics and local parameters in three－phase－flow in airlift－loop reactors of different scale［J］.ChemicalEngineering Science，1992，47（13／14）：3443－3450.

［12］ Zhang T W，Wang J F，Luo Z，et al.Multiphase flow characteristics of a novel internal－loop airlift reactor［J］.ChemicalEngineeringJournal，2005，109：115－122.

［13］ 門卓武，闕國(guó)和.操作變量對(duì)大型漿態(tài)床反應(yīng)器流體力學(xué)特性的影響［J］.化工學(xué)報(bào)，2002，53（1）：4－10.

［14］ 羅運(yùn)柏，李紹箕，聞建平，等.三相反應(yīng)器的氣含率與液速分布和數(shù)值模擬［J］.武漢水利大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，31（1）：100－103.

［15］ Nasr－el－din H，Shook C A，Esmail M N.Wall sampling in slurry systems［J］.CanadianJournalChemical Engineering，1985，63，746－753.

［16］ 王國(guó)勝，王紅心.氣升式反應(yīng)器內(nèi)三相條件下流動(dòng)行為研究Ⅱ－循環(huán)液速的影響［J］.遼寧化工，2001，30（10）：437－439.

［17］ Tobajas M，Garcia－Calvo E，Siegel M H，et al.Hydrodynamics and mass transfer prediction in a three－phase airlift reactor for marine sediment biotreatment［J］.ChemicalEngineeringScience，1999，54（21）：5347－5354.

［18］ 王國(guó)峰，楊茹，劉輝，等.高固相濃度下多孔板分布器對(duì)淤漿床內(nèi)流動(dòng)特性的影響［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（2）：13－16.

［19］ Smith D N，Ruether J A.Dispersed solid dynamics in a slurry bubble column.ChemicalEngineeringScience，1985，40（5）：741－754.

［20］ 張濂，朱海東.氣－液－固三相外循環(huán)淤漿反應(yīng)器連續(xù)化的工程研究［J］.化學(xué)世界，1994，35（9）：481－485.