氣流床反應器液體停留時間研究

上海市燃氣管理處 李小明

復合式反應器上部為氣流床下部為漿態床，氣流床通過下降管與漿態床相連，其主要特點是設有霧化作用的噴嘴，通過循環泵把漿態床的漿料送入噴嘴通道撞擊霧化，改善了混合，強化了系統的熱質傳遞。相比于傳統的鼓泡床、流化床，氣流床反應器具有很好的傳遞特性，并且能有效地減少軸向返混，具有相間接觸時間短，氣液比(氣固比)調節靈活等特點，適用于燃燒、氣化等一些快速反應過程，也可廣泛應用于煤制合成氣(CO+H2)制油、甲醇合成等強放熱反應。復合式反應器氣流床中進行的化學反應過程，除了受到化學反應和傳遞規律的作用外，還受到反應器中物料的流動類型和混合情況的影響，也就是說物料的微觀混合和宏觀混合是影響反應器性能的重要參數。停留時間分布表征了在化學反應器內物料混合的特性，是微觀混合過程在宏觀上的表現，與氣流床反應器內的流型密切相關，研究氣流床反應器的停留時間分布對于反應器的設計放大具有重要的現實意義.

1 實驗部分

1.1 實驗方法

采用脈沖進樣法測定停留時間分布，示蹤劑選用常溫下飽和的KCl溶液，將一定量的示蹤劑迅速注入氣流床反應器的進料(自來水)中，用電導率儀測量出口處的KCl濃度，轉化為電壓信號儲存在電腦中。為保證實驗準確度，每個條件下都進行3次平行實驗，通過柱塞計量泵控制氣流床反應器的液體進料量，氣體流量計計量氣體進料量。

1.2 實驗儀器及設備

實驗主要裝置為復合式反應器上段的有機玻璃氣流床反應器，結構尺寸為D100×1 500。氣流床反應器冷模裝置如圖1所示。

圖1 冷模裝置示意

水槽中的水由柱塞計量泵輸送，通過壓力噴嘴霧化后進入氣流床反應器，鋼瓶中的氣體通過氣體質量流量計計量后從噴嘴環系通道進入反應器。飽和的KCl溶液從噴嘴口瞬間注入，反應器出口連接電導率儀，測定水中的電導率，并轉換為電壓信號儲存在電腦中。

2 實驗結果討論

2.1 噴嘴個數對液體停留時間的影響

在液體流量為120 L/h，氣體流量為0的條件下，考察了噴嘴個數對液體停留時間的影響，其結果見圖 2。從圖中明顯看出，與單噴嘴、兩噴嘴相比，四噴嘴對置撞擊，液體停留時間曲線分布變窄，出峰延遲，液體平均停留時間增加。這可能是四噴嘴撞擊對稱性好，液滴在撞擊區域中的振蕩運動時間要比單噴嘴和兩噴嘴撞擊時長，導致四噴嘴撞擊時的平均停留時間增加。

圖2 噴嘴個數對液體停留時間的影響

2.2 液體流量對液體停留時間的影響

熱模條件下液體流量即是循環量，液體流量跟氣流床的液體滯留量密切相關，因此測量不同流量下的液體停留時間對反應器的設計放大及工業生產有重要意義。實驗中考查了對噴無氣體條件下，液體流量對停留時間的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，當液體流量較小時停留時間曲線分布較寬、峰高較矮，隨著液體流量的增大，出峰時間略有提前且峰寬變窄，峰高變高，且流量增加平均停留時間變短，但是流量從160 L/h后繼續增加，停留時間變化較小。這是因為液體流量增加，撞擊區域液滴振蕩運動減弱，速度提高，導致其停留時間減小。

圖3 液體流量對液體停留時間的影響

2.3 氣體流量對液體停留時間的影響

在液體流量為120 L/h對噴條件下，測定了進氣流量對液體時間的影響，見圖 4。下圖表明相同液體流量不同氣體流量下液相停留時間分布曲線基本相同，也就是說氣體流量變化對液體停留時間影響微弱。由于實驗采用的是壓力式噴嘴，液體的霧化狀況只與壓力有關，氣流量對液滴總體運動影響并不大，這與文獻報道相符合。從圖中還可以看出，當氣體流量較大時，出峰稍微提前，平均停留時間有所減少，這可能跟氣體對液體的擾動作用有關。

圖4 氣體流量對液體停留時間的影響

3 停留時間分布模擬

3.1 數學模型

停留時間分布反映了反應器內流動過程的混合狀況，是了解流動行為特性的手段，模型的建立應以反應器內的流動特征為依據。對于非均相撞擊流反應器而言，多采用馬爾可夫鏈或蒙特—卡羅模擬等隨機模型，這些模型能夠較好地反映反應器內的流動狀況。本實驗中從噴嘴出來的撞擊流股不僅分布在反應器的中心區域，而且在反應器壁面也有液體存在，反應器壁對停留時間有較大影響，這與文獻報道相符合。反應器中心區域的流體混合較好，近似全混流，而壁面上的流體由于粘滯力作用，在壁面形成層流。基于以上考慮，用層流模型并聯多極串聯全混流模型來描述反應器內的流動過程。

層流模型：對于管式反應器內的層流流體，流速沿壁面至中心減少，管中心處的流體在反應器的停留時間最短。

在半徑為R的管內，半徑r處的流速為：

式中：Ur—管內流體的速度，m/s；

Umax—管內中心處的速度，m/s；

Uavg—管內平均速度，m/s；

r—管式反應器內某點處的半徑，m；

R—管式反應器的最大半徑，m；

v0—通過管式反應器的流體流量，m3/s；在半徑r處，流體的停留時間為：

式中：t—半徑r處流體的停留時間，s；

L—管式反應器的長度，m；

τ—管式反應器流體的平均停留時間，s；在半徑為r與r+dr之間流出的物料的分率為dv/v0，

式中：dv—通過半徑r處的流體流量微分，m3/s；

dr—半徑r的微分，m；對方程(2)進行微分

把方程(2)代入，替換t得：

聯立式(3)和(5)，可以得到停留時間介于 t和t+dt之間的流體分率：

流體在方應器內的最短停留時間為：

因此，層流反應器的停留時間分布密度函數為：

層流反應器停留時間分布函數無因次形式為：

多級串聯全混流模型停留時間分布函數無因次形式：

假設通過多級串聯全混流模型的物料分率為p，則通過層流模型的物料分率為1-p，易知本模型停留時間分布函數無因次形式為：

3.2 模擬計算結果及討論

通過本文提出的模型模擬相應實驗條件下無因次液體停留時間分布密度，由于篇幅所限，僅列出幾種典型實驗條件下實驗值與模擬值比較，見圖5(a)～5(d)。

圖5 實驗值與模擬值對比

從各圖中可見，各條件的實驗值與模擬計算得到的曲線吻合較好，故該模型適用，反映了反應器內液體的實際流動狀況和分布特征。比較模擬值與實驗值的分布密度函數，發現圖5(a)的實驗峰值與計算峰值吻合不是很好，這可能是由于在對噴無氣體撞擊條件下，壁流液體分布不均，對撞方向的壁流相對來說要嚴重，反應器壁流液體實際速度梯度與層流模型不相吻合造成的。模擬結果也說明了噴嘴個數增加到四個，撞擊對稱性更好，氣量增加后增強了對液體的擾動作用，這些因素都有利于減弱反應器的壁效應，有利于傳質和反應。

5 結論

(1)通過研究氣流床液體停留時間發現，與單噴嘴、兩噴嘴相比，四噴嘴對置撞擊時，出峰延遲，液體平均停留時間增加；液體流量增加，停留時間減小，但是當流量從160 L/h后繼續增加時，停留時間分布變化較小；氣體流量對液體停留時間影響較小。

(2)基于實驗觀察和分析建立氣流床反應器氣流段液體停留時間數學模型，模型計算結果與實驗數據相比較，數據吻合較好，說明模型適用。