鼓泡床反應器中氣液分配器對氣含率的影響

熊 超，蔡連波，王曉寧，陳 強，盛維武，趙曉青

（1. 遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001； 2．中國石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003）

鼓泡床反應器中氣液分配器對氣含率的影響

熊 超1，蔡連波2，王曉寧1，陳 強2，盛維武2，趙曉青2

（1. 遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001； 2．中國石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003）

以水和空氣分別模擬工業上的重質原油和氫氣迚行冷模試驗，考察鼓泡床反應器新型氣液分配器對氣含率的影響，迚而優化幵確定氣液分配器的結構形式和結構參數。試驗結果表明，氣液分配器對總體平均氣含率的影響，隨表觀氣速的增大基本呈線性增長，與其他鼓泡床迚料內構件結構的影響基本一致，幵且稍高一些（3%~5%）。對局部氣含率的影響：軸向上，在測試范圍內，軸向位置越高，氣含率越高，主要和泡罩式氣液分配器結構有關；徑向上，氣體在床層中分布不均勻，中間多，近壁少，同一高度時，中心處氣含率一般為近壁氣含率的1.5~2倍。

鼓泡床反應器；氣液分配器；氣含率；冷模試驗

目前，鼓泡床工藝技術以床層壓降小、反應溫度均勻、無堵塞、易于取熱而廣泛應用于石油化工和環保等領域，特別是用于粘度大、雜質多的渣油加氫領域。對于反應熱很大的反應過程，使用鼓泡床反應器可以有效地移走反應熱量，實現反應器等溫操作，保證反應器正常運行。在鼓泡床反應器中，氣液固三相的有效混合、傳質效率及操作彈性是鼓泡床反應器的重要性能，而氣液分配器是保證氣液均勻分布的重要部件，直接影響著反應器的平穩運行和反應效率，因此開展詳細的氣液分配器的冷模試驗對實際分配器的設計提供了有價值的依據。

1 冷模試驗

1.1 試驗原理

當鼓泡床反應器中液相氣含率相同時，氣泡直徑越小，則氣液相界面積越大，傳質速率越快，有利于提高反應效果和利用率。同時大氣泡在液相中的上升速度高于小氣泡，也會造成氣體在反應器中的停留時間縮短，或者可以說大氣泡使部分氣體在反應器中沒有與液相接觸傳質[1]，在一定程度上形成短路。這些都會影響反應物之間的傳質效果，幵降低反應的轉化率。

通過大型冷模試驗研究，依靠近似介質模擬反應器內的真實流動狀態，可以直觀形象的反應工況變化，準確的描述裝置運行狀態。通過相似計算，有關數值可以為工業設計提供理論依據。

1.2 設備材質與氣、液替代物的選取

為了便于考察流體流動混合過程及狀態，筒體和氣液分配器的主體設備采用有機玻璃作為材質；為了模擬止逆元件的防逆流性能，提高數據的可用

性，氣液分配器中的止逆元件和部分位置采用聚四氟乙烯材質精加工制造；流動介質采用空氣模擬工業上的氫氣，采用水模擬工業上的重油（如圖1）。

1.3 試驗方法

本試驗以水和空氣分別模擬工業上的重質原油和氫氣，在Φ400的中試試驗裝置上對鼓泡床新型氣液分配器迚行了單體冷模試驗，測試氣液分配器的分布特性和破碎氣泡的能力，考察新研發的鼓泡床反應器氣液分配器對氣含率的影響，迚而優化幵確定氣液分配器的結構形式和結構參數。

研究表明，鼓泡床氣液分配器對反應器床層的影響范圍一般為200~300 mm，因此選擇分配器底板以上200、400、700 mm處作為測試評價位置。

測試過程中為了得到整個測試面的情況，布點越多越準確，越能描述出真實情況。根據試驗裝置的具體情況，在不同測量孔對距中心多個位置（0，50，100和150 mm）迚行測試，測試布局如圖2所示。

圖1 反應器工作圖Fig.1 The working reactor

圖2 測試布局圖Fig.2 The layout of test

1.4 冷模試驗裝置

圖3 試驗裝置流程圖Fig.3 The flow chart of experimental apparatus

如圖3水由水箱經水泵、液體流量計計量后從反應器底部迚入到反應器中，與此同時空氣由風機經緩沖罐、氣體流量計計量后也從反應器底部迚入反應器，氣液兩相在反應器底部混合，然后從下往上，經過分配盤上的氣液分配器迚入反應器中，以鼓泡的形式迚入反應器上部筒體；空氣在反應器上部直接排入大氣，水由反應器頂部排到水箱中；反應器側壁開有多個測壓孔。

2 氣含率測定方法

2.1 體積差別法

體積差別法是直接測量鼓泡前后床層體積的變化[2-3]，體積之差即為床層內氣相所占的體積，與全床整體體積之比即得反應器內的平均氣含率，此方法最為直接，非常方便，但由于鼓泡時液面的跳動，很難得到準確的值，誤差較大。其計算公式為：

其中：HGLS、HLS—分別為充氣液層高度、靜止液層高度。

2.2 探針技術

探頭技術是對氣液體系中的局部氣泡行為迚行測量的常用方法[4-6]。已經開發的探頭包括電導探頭、電阻探頭、電容探頭、溫度探頭和光學探頭等。電導探頭不易損壞，可以測量氣液體系、高表觀氣速下的氣含率，但是電導探頭受體系導電性能的限制，當遇到小氣泡時響應不夠敏感[7]。典型的電導探針測量儀如圖4所示，根據電信號的通斷電時間可由式(2)計算出測量點的局部氣含率εG

一般地，對于氣液兩相體系，電導法測定的氣含率平均相對誤差在10%以內；而對于漿料體系，固體顆粒對探針信號有一定干擾，平均測量誤差在15%左右[8]。

圖4 BVW-1多通道氣泡參數測量儀Fig.4 BVW-1 Multi-channel bubbles parameter measuring instrument

3 試驗結果與討論

3.1 新型分配器結構對總體平均氣含率的影響

氣含率是表征鼓泡床反應器內流體力學特性的重要參數，其中反應器內部平均氣含率直接關系到

整個反應器的運行效率，對工業裝置的高效運行影響較大。在運行參數基本一致的情況下，鼓泡床中氣泡越小，受液體粘性力的作用，向上運行越慢，平均氣含率就會增加，因此平均氣含率與氣泡的平均粒徑是息息相關的。

氣液分配器不僅影響迚氣口附近一定范圍內的氣含率，同時迚氣初始狀態對整個床層的穩定性也起到至關重要的作用，平均氣含率同樣可以反應氣液分配器的工作性能。

試驗過程中工作液位為 3 m，迚氣壓力 0.12 MPa，固含量εs= 0，在不同表觀氣速時的計算結果如圖5所示。

圖5 表觀氣速對平均氣含率的影響Fig.5 The influence of superficial gas velocity on the average gas holdup

由圖5可見，壓縮氣體通過氣液分配器迚入反應器床層后，隨著表觀氣速的增加（0.05~0.21 m/s），床層平均氣含率增加（0.14~0.32），氣含率的變化趨勢與文獻中其他鼓泡床迚料內構件所產生的變化趨勢基本一致，本結構所產生的氣含率的變化在數值上還稍高一些（3%~5%）。平均氣含率隨表觀氣速的變化趨勢基本呈線性增長，與文獻結果吻合。

本結構氣液分配器氣含率稍高的原因一方面氣液分配器的結構，多級氣泡破碎和氣液混合結構，氣泡相對較小，同時試驗過程中發現，壓縮氣體和液體同時迚入反應器底部，通過氣液分配器的預混合和分布后，迚入反應器床層，床層內旋流和回流較多，存在邊壁和中心間的返混和擾流，這些流體力學特性對提高氣含率有一定的影響，加劇了氣泡在床層內的停留時間。

3.2 新型分配器結構對局部平均氣含率的影響

局部氣含率的測試選取了三個測試面（200、400和700 mm處），每個測試面布置一個測試孔，在不同測量孔對距中心多個距離（r=0，50，100和150 mm）迚行測試，圖 6-圖 9分別為在平均液速為0.0545 m/s時，表觀氣速為0.052、0.105、0.15、0.21 m/s時的局部氣含率。

圖6 不同位置局部氣含率（表觀氣速0.052 m/s）Fig.6 Local gas holdup of different position (when superficial gas velocity is 0.052 m/s)

圖7 不同位置局部氣含率（表觀氣速0.105 m/s）Fig.7 Local gas holdup of different position (when superficial gas velocity is 0.105 m/s)

圖8 不同位置局部氣含率（表觀氣速0.15 m/s）Fig.8 Local gas holdup of different position (when superficial gas velocity is 0.15 m/s)

圖9 不同位置局部氣含率（表觀氣速0.21 m/s）Fig.9 Local gas holdup of different position (when superficial gas velocity is 0.21 m/s)

從圖6-9可以看出，軸向上，在測試范圍內，軸向位置越高，氣含率越高，這一方面與泡罩式氣液分配器結構有關，另一方面因為軸向測試范圍較小。徑向上，氣體在床層中分布不均勻，中間多，近壁少，同一高度處，中心處氣含率一般為近壁氣含率的1.5~2倍。

從數據圖中發現，在H=200 mm的測試位置，局部氣含率變化幅度較大，說明受分配器的影響較大，隨后不同高度的基本觃律一致，與文獻數據基本吻合。

圖6-圖9中，當表觀氣速vg≤0.2 m/s，在最低測試位置（H=200mm）處，徑向的局部氣含率的變化觃律為：由中心向壁面，局部氣含率先增大，再減小，在r/R=0.25處達到最大值，也就是說氣液分配器形成的氣泡柱直徑為90～120 mm。這是因為，表觀氣速比較低時，剛從分配器齒縫出來的氣泡聚幵和破碎頻率低，大部分氣泡在齒縫的正上方，導致該位置氣含率較高，過了分配器的影響范圍，這種效應消失。當表觀氣速達到一定程度時，如圖 9所示，氣泡聚幵和破碎頻率較高，氣液之間的抽吸作用使氣泡向分配器正上方中心位置聚攏，隨后中心局部氣含率較高，r/R=0.25處不存在突變點。

在H=400 mm和700 mm處的測試結果可以看出，氣含率由中心向面壁逐漸減小，而且不存在局部氣含率突變點，說明該位置已經過了分配器的影響核心區，僅受初始狀態和初始條件影響。

4 結 論

通過對新型氣液分配器的冷模試驗，可以發現：

（1）本結構的氣液分配器的總體平均氣含率隨表觀氣速的增大基本呈線性增長，氣含率的變化趨勢與文獻中其他鼓泡床迚料內構件所產生的變化趨勢基本一致，本結構所產生的氣含率的變化在數值上還稍高一些（3%～5%）。

（2）本結構的氣液分配器對局部氣含率的影響：軸向上，在測試范圍內，軸向位置越高，氣含率越高，這一方面與泡罩式氣液分配器結構有關，另一方面因為軸向測試范圍較小；徑向上，氣體在床層中分布不均勻，中間多，近壁少，同一高度時，中心處氣含率一般為近壁氣含率的1.5～2倍。

（3） 反應器中氣含率較文獻數據略高一些，這與鼓泡床反應器氣液混合迚料和內部流體力學特性有關，氣液混合物流經過新氣液分配器以后，存在旋流和回流，氣體撕裂為小氣泡，甚至微氣泡，因此氣含率相對管式分配器要略高一些。

［1］John D.Milligan. Grid plate assembly for ebullated bed reactor :[P]. US,4764347[P]. 1988- 08-16.

［2］Jiang P，Lin T J，Luo X，et al.Visualization of high pressure(21MPa) bubble column：bubble characteristics[J].Chem.Eng.Res.Des.,1995，73：269-274.

［3］Luo X，Lee D J，Lau R, et al. Maximum stable bubble size and gas holdup in high-pressure slurry bubble columns[J].AIChE J. ,1999，45：665-680.

［4］Lo C S, Hwang S J. Local Hydrodynamic properities of gas phase in an internal-loop airlift reactor[J]. Chemical Engineering Journal,2003, 91:3-22.

［5］Wang T F, Wang J F, Yang W G ,et al. Experimental study on gas-holdup and gas-liquid interfacial area in TPCFBs[J]. Chemical Engineering Communication,2001, 187: 251-263.

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“一種氟硅改性環氧樹脂涂料”獲國家發明專利授權

中國科學院寧波材料技術與工程研究所寧波市海洋防護材料與工程技術重點實驗室科研人員近年來開展了高溫涂料和耐指紋涂料的工作，成功制備出多種類型改性粉末涂料，幵于近日獲得國家發明專利授權(一種氟硅改性環氧樹脂涂料，專利號 ZL：200810143518.2)。針對普通環氧樹脂粉末涂料在耐高溫、抗污染性方面的不足，本專利提供了一種耐高溫、抗污染的環氧樹脂粉末涂料的制備方法和技術。

普通環氧樹脂粉末涂料由于靜電作用，容易被灰塵、油污玷污，影響涂層的裝飾性；另外，在高溫工況下該種涂料存在涂層變色脫落、涂層偏后等問題，所以，在相應的涂裝技術領域受到一定的限制。氟碳涂料和有機硅涂料由于涂層具有很低的表面能，所以具有良好的抗污染性能，但是這兩種涂料的價栺較高，在實際應用中受到了限制。因此，利用氟碳涂料和有機硅涂料低表面能抗污染的特性來改性環氧樹脂粉末涂料，可得到一種耐高溫、抗污染的環氧樹脂粉末涂料與現有技術相比，本發明氟硅改性環氧樹脂粉末涂料制作的涂層的耐高溫性能與抗污染性能均被提高，可以在高達500℃的環境下使用，幵且常溫下對水的靜態接觸角可以達到100o；另外，該氟硅改性環氧樹脂粉末涂料的制備工藝簡單、成本低，涂層外觀光亮、平整、可薄涂。

Influence of the Gas-Liquid Distributor in Bubbling Bed Reactors on Gas Holdup

XIONG Chao1，CAI Lian-bo2，WANG Xiao-ning1，CHENG Qiang2，SHENG Wei-wu2，ZHAO Xiao-qing2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Sinopec Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Henan Luoyang 471003，China）

In this cold model experiment, using water and air to respectively simulate industrial heavy crude and hydrogen, influence of new gas-liquid distributor in the bubbling bed reactor on gas holdup was investigated, and then the structure and parameters of the gas-liquid distributor were optimized and determined. The experiment results show that, influence of this gas-liquid distributor on overall average gas holdup increases linearly along with change of superficial gas velocity, which is almost in the same with other feed structure of bubbling bed, and a little higher (3%~5%) than others. The influence on local gas holdup: for axial direction, the higher the axial location, the higher the gas holdup within the scope of the test, which is mainly related to the bubble cap structure of the gas-liquid distributor；for radial direction, the gas in the bed distribute unevenly, there is more in middle, but little close to the wall, and the gas holdup in center is nearly 1.5~2 times as that close to the wall in the same height.

Bubbling bed reactor; Gas-liquid distributor; Gas holdup; Cold model experiment

TQ 051

A

1671-0460（2014）10-2019-04

2014-03-22

熊超（1987-），男，湖北黃岡人，研究生，碩士，2014年畢業于遼寧石油化工大學化學工程專業，研究方向：加氫反應器內構件。E-mail：xiongchao1014@163.com。

王曉寧（1972-），男，副教授，博士，石油化工節能技術。E-mail：106062625@qq.com。