馬守濤，趙秀文，相春娥，黃正梁

(1.中國(guó)石油大慶化工研究中心，黑龍江 大慶 163714；2.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司；3.浙江省化工高效制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

三相反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于加氫精制、加氫裂化等過(guò)程[1-3]，其操作形式可分為3種：氣液并流向下、氣液逆流式和氣液并流向上。在上流式反應(yīng)器中，液相為連續(xù)相，氣相為分散相，氣、液兩相自下而上流過(guò)催化劑床層。與其他兩種反應(yīng)器形式相比，上流式反應(yīng)器持液量大，液相停留時(shí)間長(zhǎng)，液固相間傳質(zhì)和傳熱效率高，能消除局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，對(duì)于某些液固傳質(zhì)為控制步驟和強(qiáng)放熱反應(yīng)過(guò)程，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)反應(yīng)器直徑與催化劑顆粒直徑之比較小時(shí)，催化劑與液相的接觸較之滴流床更為有效；當(dāng)催化劑床層較淺時(shí)，在相同操作條件下，上流式反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率比下行式反應(yīng)器中更高[3]。

在上流式反應(yīng)器中，氣液分布器和再分布器對(duì)氣液兩相的均勻分布具有重要影響。如果氣液兩相分布不均勻，將導(dǎo)致床層徑向溫差增大、催化劑失活、結(jié)焦積炭等系列問(wèn)題[4]。氣液分布器產(chǎn)生的氣泡初始尺寸與氣泡表面張力、氣液密度差和分布器開(kāi)孔直徑等因素有關(guān)。侯旭[5]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了兩種適用于上流式反應(yīng)器的氣液分配設(shè)備的性能，發(fā)現(xiàn)在氣液分布器單管尺度上，氣液分布器出口氣泡直徑和截面平均氣含率隨表觀氣速的增加而增加，隨表觀液速的增加而降低；氣液分布器的壓降隨表觀氣速的增加而減小，隨表觀液速的增加而增加。與表觀液速相比，氣液分布器對(duì)表觀氣速的變化更敏感[6]。王威杰[7]通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)，以床層總壓降、平均停留時(shí)間和Pe(佩克萊數(shù))作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)5種不同結(jié)構(gòu)的氣液再分布器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，階梯式內(nèi)構(gòu)件的性能優(yōu)于平板式內(nèi)構(gòu)件；V形內(nèi)構(gòu)件(階梯式、圓形孔、同心圓分布)對(duì)應(yīng)的床層持液量較大，能更好地減弱軸向返混，改善流動(dòng)不均勻性。顏攀等[8-9]使用帶有文丘里型氣液上升管的氣液分布器，通過(guò)單管試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該分布器可以產(chǎn)生微米級(jí)氣泡，在促進(jìn)氣液兩相均勻分布的同時(shí)強(qiáng)化傳質(zhì)，使氣液傳質(zhì)系數(shù)增大。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)提出了多種不同結(jié)構(gòu)類型的氣液分布器用于上流式反應(yīng)器[10-15]。本研究從中選擇工業(yè)上常用的帶圓柱形上升管的氣液分布器為對(duì)象[11]，考察表觀氣速、表觀液速、上升管直徑及催化劑顆粒形狀對(duì)氣含率分布的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 冷模試驗(yàn)裝置

冷模試驗(yàn)裝置及流程如圖1所示。裝置由冷模塔、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、檢測(cè)儀器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成。水由離心泵打入反應(yīng)器，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后從冷模塔底部進(jìn)入?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮升壓后進(jìn)入緩沖罐，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后從冷模塔底部進(jìn)入，氣液混合物經(jīng)入口擴(kuò)散器后，流經(jīng)氣液分布器，再經(jīng)過(guò)第一固體顆粒床層，流入級(jí)間混合區(qū)，氣液混合物經(jīng)過(guò)再分配后進(jìn)入第二固體顆粒床層，最后液體從排液口排出并返回水槽，氣體從冷模塔頂部排空。

圖1 冷模試驗(yàn)裝置流程示意1—水槽；2—離心泵；3—閥門；4—流量計(jì)；5—壓縮機(jī)；6—緩沖罐；7—液體入口；8—?dú)怏w入口；9—入口擴(kuò)散器；10—級(jí)間混合區(qū)；11—排液口；12—?dú)庖悍植计鳎?3—排氣口；14—電導(dǎo)探針；15—數(shù)據(jù)采集卡；16—計(jì)算機(jī)

冷模塔用有機(jī)玻璃制成，直徑為500 mm，底部不銹鋼半球形封頭內(nèi)有倒錐形入口擴(kuò)散器。冷模塔分為兩層，安裝有2塊如圖2(a)所示的帶圓柱形上升管的多孔板氣液分布器。試驗(yàn)使用兩種不同規(guī)格的上升管，一種上升管的直徑為26 mm，高度為75 mm，底部擋板的直徑為50 mm，擋板距上升管8 mm，上升管間距為65 mm，如圖2所示；另一種上升管的直徑為48 mm，高度為100 mm，底部擋板的直徑為64 mm，擋板距上升管8 mm，上升管間距為152 mm。試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，以空氣和水作為模擬介質(zhì)，考察操作條件、分布管直徑、固體顆粒形狀對(duì)圓柱形氣液分布器性能的影響，根據(jù)工業(yè)裝置操作條件，氣體流量和液體流量變化范圍均為1～10 m3/h，基于反應(yīng)器橫截面計(jì)算得到表觀速度變化范圍為0.001 4～0.014 m/s。試驗(yàn)過(guò)程中采用雙探頭電導(dǎo)探針測(cè)量冷模塔內(nèi)氣含率及其分布、氣泡尺寸等參數(shù)，試驗(yàn)原理及方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。試驗(yàn)所用固體顆粒的參數(shù)見(jiàn)表1，固體顆粒裝填高度為100 mm。

圖2 氣液分布器布點(diǎn)方式和圓柱形上升管尺寸(單位：mm)

表1 試驗(yàn)用固體顆粒物性參數(shù)

1.2 氣泡參數(shù)檢測(cè)方法

本研究采用雙探頭電導(dǎo)探針測(cè)定氣含率和氣泡尺寸等氣泡參數(shù)[16-17]。雙探頭電導(dǎo)探針是一種根據(jù)氣相和液相電導(dǎo)率的差異來(lái)測(cè)定氣液兩相中氣泡參數(shù)的檢測(cè)儀器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。電極采用兩根直徑為0.1 mm的經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的鋼琴弦，針尖極小，錐狀部分(導(dǎo)通距離小于0.025 mm)裸露，表面鍍有金屬鎳和金，探針末端連有直徑0.25 mm的信號(hào)線。探針經(jīng)過(guò)絕緣漆粉刷并烘干后，被固定在一個(gè)帶有直角彎頭的不銹鋼套筒中，最后手工調(diào)整兩電極間的距離s及m。制作完成后的探針需接入測(cè)試電路，兩個(gè)探針?lè)謩e與電源的負(fù)極連接，而不銹鋼外殼與電源正極連接，同時(shí)外接限流電阻，可獲得高低電平的數(shù)據(jù)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集板需要和測(cè)試電路匹配，探針電阻比其等效阻值大2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖3 雙探頭電導(dǎo)探針的結(jié)構(gòu)示意

雙探頭電導(dǎo)探針的針尖在測(cè)量時(shí)保持垂直向下，氣泡在上升過(guò)程中不斷地通過(guò)探針針尖。由于氣相導(dǎo)電性差，當(dāng)氣泡通過(guò)針尖時(shí)的回路處于斷路狀態(tài)，顯示為高電平；而沒(méi)有氣泡通過(guò)針尖時(shí)，液體導(dǎo)電性能良好，回路為通路狀態(tài)，顯示為低電平，電路由此會(huì)產(chǎn)生具有時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)。

某一點(diǎn)局部氣含率εg(r)的估算如式(1)所示。

(1)

式中：r為檢測(cè)點(diǎn)的徑向距離；t為試驗(yàn)過(guò)程中的采樣時(shí)間；T1和T2分別代表氣泡通過(guò)探針1和探針2的時(shí)間。采樣頻率為200 Hz，采樣時(shí)間為20 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 通氣量和軸向高度對(duì)氣含率分布的影響

在直徑為26 mm的上升管中，考察通氣量和軸向高度對(duì)氣含率分布的影響。

當(dāng)表觀液速為0.008 4 m/s時(shí)，不同表觀氣速下氣液分布器上方100 mm處局部氣含率的徑向分布如圖4所示。在表觀氣速為0.007 m/s、表觀液速為0.008 4 m/s的條件下，冷模塔中不同軸向高度(即氣液分布器上方高度不同)處局部氣含率的徑向分布如圖5所示。圖中，r/R為檢測(cè)點(diǎn)徑向距離r與冷模塔半徑R的比值?？紤]到不同通氣量和軸向高度下，氣含率徑向分布近似對(duì)稱，因此只給出r/R=0～1.0的氣含量分布。

圖4 不同通氣量下局部氣含率的徑向分布表觀氣速，m/s： ■—0.001 4； ●—0.003 5； ▲—0.007；

由圖4可知：低氣速下局部氣含率的徑向分布較為均勻；隨著氣速的增加，局部氣含率的徑向分布變得不均勻，中心處局部氣含率高，近壁面處局部氣含率低，中心處氣含率約為壁面附近氣含率的2倍。這是由于低氣速下，單位體積氣體獲得的液體輸入功較大，使得氣泡不易聚并，氣液分布器產(chǎn)生的氣泡尺寸較小且尺寸分布較窄，同時(shí)由于氣泡尺寸較小，進(jìn)入冷模塔后，氣泡引起的液相湍動(dòng)也較弱，氣泡不易發(fā)生聚集，使得氣泡在冷模塔徑向的分布較為均勻，因此局部氣含率的徑向分布相對(duì)均勻；隨著氣速的增大，在相同表觀液速下，單位體積氣體獲得的液體輸入功減小，氣泡容易發(fā)生聚并，部分氣泡聚并后形成厘米級(jí)甚至更大尺寸的氣泡，使得氣泡尺寸分布變寬，此外由大氣泡引起的液相湍動(dòng)增強(qiáng)，促使大氣泡向冷模塔中間運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壁效應(yīng)也會(huì)促使氣體向中心處聚集[18]，使得中心位置局部氣含率高，近壁處局部氣含率低。

圖5 不同軸向高度處局部氣含率的徑向分布?xì)庖悍植计魃戏礁叨?，mm： ■—100； ●—200； ▲—300

由圖5可知，隨著軸向高度的增加，局部氣含率的徑向分布變得不均勻。這是因?yàn)闅馀菰谏仙^(guò)程中，受到液體升力和壁效應(yīng)的作用，促使氣泡向中心處聚集，因此隨著軸向高度的增加，局部氣含率徑向分布越來(lái)越不均勻。

2.2 上升管直徑對(duì)氣含率分布的影響

圖6為在表觀氣速為0.007 m/s、表觀液速為0.004 2 m/s的條件下，兩種不同直徑上升管的氣液分布器上方100 mm處局部氣含率的徑向分布。上升管直徑變大后，氣含率徑向分布不再對(duì)稱，故給出整個(gè)徑向上(r/R=-1.0～1.0)的分布。由圖6可知：當(dāng)上升管直徑為48 mm時(shí)，局部氣含率的徑向分布不均勻，出現(xiàn)較大的波動(dòng)，局部氣含率的最大值約為最小值的11倍，方差為7.29×10-5；當(dāng)上升管直徑為26 mm時(shí)，局部氣含率的徑向分布相對(duì)均勻，局部氣含率最大值約為最小值的3.15倍，方差為1.55×10-5。試驗(yàn)結(jié)果表明，較小的上升管直徑對(duì)氣體均勻分布是有利的。這是因?yàn)殡S著上升管直徑的減小，氣液分布器上分布管分布更密集，氣泡進(jìn)入床層后更易在冷模塔徑向均勻分布，氣含率徑向分布也相對(duì)更均勻。

圖6 不同直徑上升管的氣液分布器上方局部氣含率的徑向分布上升管直徑，mm： ■—26； ●—48

2.3 固體顆粒形狀對(duì)氣含率分布的影響

圖7為在上升管直徑為26 mm、表觀氣速為0.007 m/s、表觀液速為0.004 2 m/s的條件下，反應(yīng)器中加入不同形狀固體顆粒時(shí)氣液分布器上方100 mm處局部氣含率的徑向分布(測(cè)量點(diǎn)位于固體顆粒填料層上方)。由于添加固體顆粒后，氣含率的徑向分布不再對(duì)稱，故給出整個(gè)徑向上(r/R=-1.0～1.0)的分布。圖8為在上升管直徑為26 mm、表觀氣速為0.007 m/s的條件下，固體顆粒形狀對(duì)冷模塔內(nèi)氣泡平均直徑D32的影響。由圖7數(shù)據(jù)計(jì)算可得，無(wú)固體顆粒時(shí)徑向氣含率分布的標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 5，加入球形、齒球形和三葉草形固體顆粒時(shí)徑向氣含率分布的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.005 7，0.007 7，0.003 4?？梢?jiàn)，加入球形固體顆粒和齒球形固體顆粒后，局部氣含率的徑向分布波動(dòng)很大，分布不均勻；不加固體顆粒和加三葉草形固體顆粒時(shí)局部氣含率的徑向分布波動(dòng)相對(duì)較小，分布較為均勻。試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：不加固體顆粒時(shí)床層氣泡尺寸較大，在截面上分布較均勻，因此徑向氣含率分布的標(biāo)準(zhǔn)差較??；加入球形固體顆粒后可以形成較小的氣泡，但分散不均勻，呈現(xiàn)中間多、壁面處少的分布特征；加入齒球形固體顆粒后形成的氣泡更大，氣體分布也不均勻；加入三葉草形固體顆粒后氣泡尺寸較小，氣體分布較為均勻。上述結(jié)果與圖8所示結(jié)果是一致的，3種固體顆粒中，裝填三葉草形固體顆粒時(shí)床層內(nèi)氣泡平均直徑最小，裝填球形和齒球形固體顆粒時(shí)床層內(nèi)氣泡平均直徑較大。這是因?yàn)辇X球形固體顆粒床層的空隙率大于球形固體顆粒床層，顆粒間空隙較大，所以形成了較大的氣泡；而三葉草形固體顆粒長(zhǎng)條形的結(jié)構(gòu)使得床層內(nèi)流體通道形狀不規(guī)則，形成諸多具有較小流通面積的窄通道，對(duì)氣泡的剪切破碎作用更強(qiáng)，因此形成了較小的氣泡。試驗(yàn)結(jié)果表明，球形固體顆粒、齒球形固體顆粒和三葉草形固體顆粒對(duì)氣泡均有破碎作用，且三葉草形固體顆粒破碎氣泡的效果優(yōu)于球形固體顆粒和齒球形固體顆粒。

圖7 固體顆粒形狀對(duì)冷模塔內(nèi)局部氣含率徑向分布的影響顆粒形狀： ■—無(wú)固體顆粒； ●—球形；▲—齒球形； 三葉草。圖8同

圖8 固體顆粒形狀對(duì)冷模塔內(nèi)氣泡平均直徑的影響

3 結(jié) 論

(1)不加固體顆粒時(shí)，帶圓柱形上升管的氣液分布器產(chǎn)生的初始?xì)馀莩叽巛^大，多為毫米級(jí)氣泡，聚并后形成厘米級(jí)甚至更大尺寸的氣泡；氣速越大，軸向位置越高，局部氣含率徑向分布越不均勻。

(2)上升管直徑為26 mm的氣液分布器的氣體分散性能優(yōu)于上升管直徑為48 mm的氣液分布器，表明較小的上升管直徑有利于氣體均勻分布。

(3)球形、齒球形和三葉草形固體顆粒對(duì)氣泡均有破碎作用，且三葉草形固體顆粒破碎氣泡的效果優(yōu)于球形和齒球形固體顆粒。