130 L氣升式旋流反應(yīng)器體積傳質(zhì)系數(shù)研究

高美伊，郭秋麗，劉永民，趙德智

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130 L氣升式旋流反應(yīng)器體積傳質(zhì)系數(shù)研究

高美伊，郭秋麗，劉永民，趙德智

（遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

對于空氣?水和空氣?水?陰離子交換樹脂物系，在體積為130 L（內(nèi)徑為290 mm、高為2 000 mm）氣升式旋流反應(yīng)器（HALR）中，當(dāng)表觀氣速為0~0.84 cm/s時，研究了固體裝載量、顆粒粒徑、有無分離器、不同導(dǎo)流筒形式對體積傳質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，三相物系的體積傳質(zhì)系數(shù)大于兩相的體積傳質(zhì)系數(shù)；隨著顆粒粒徑的增大，體積傳質(zhì)系數(shù)呈下降趨勢；有分離器的體積傳質(zhì)系數(shù)大于無分離器的；表觀氣速較小時，帶翅片導(dǎo)流筒的體積傳質(zhì)系數(shù)最大。

氣升式；旋流反應(yīng)器；導(dǎo)流筒；旋流；體積傳質(zhì)系數(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球?qū)υ偷男枨罅恐饾u增大。有學(xué)者預(yù)測，近幾年中國原油對外依存度將超過60%,并且原油還向著重質(zhì)化、劣質(zhì)化方向發(fā)展，輕質(zhì)原油所占的比例越來越小,將重質(zhì)油更多的轉(zhuǎn)化為合格的輕質(zhì)油品，成為我國石油行業(yè)的首要任務(wù)。目前，解決這個問題最好的方法就是采用重質(zhì)油加氫工藝。該工藝一般采用懸浮床反應(yīng)器[1?7]。在重油加氫過程中，會有黏稠的焦粒生成，此焦粒聚集而沉積在反應(yīng)器的下部，使反應(yīng)效率降低，對裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成傷害，為了避免這種情況的產(chǎn)生，要注重反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與內(nèi)構(gòu)件的開發(fā)和設(shè)計[8]。文獻(xiàn)[9]研究了在懸浮床中采用增加導(dǎo)流筒并在導(dǎo)流筒上安裝旋流片的環(huán)流反應(yīng)器，使反應(yīng)器內(nèi)流體形成循環(huán)式的螺旋流，增加了流體的湍動程度，使之在重油加氫中和煤化工中具有開發(fā)研究價值。鑒于文獻(xiàn)[9]所研究反應(yīng)器體積和直徑較小，本文在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)研究了中試規(guī)模的體積為130 L的有倒錐型液固分離器的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器（HALR），對其體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了實驗研究，以期為該類反應(yīng)器的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實驗部分

旋流氣升式反應(yīng)器主體高為2 000 mm，外徑為300 mm，壁厚為5 mm。旋片導(dǎo)流筒（100 mm×3 mm×1.37 m）共有3組旋片且每組有4個旋片，旋片與軸向成30°夾角。有機(jī)玻璃制作而成的倒錐型液固分離器安裝在導(dǎo)流筒上部，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。主體外側(cè)軸向高度為900 mm處設(shè)置一個溶氧電極。實驗流程見圖1（b）。反應(yīng)器內(nèi)氣、液（固）的流動方式見文獻(xiàn)[9]。

實驗采用上海博取有限公司的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實驗中用溶氧電極直接測得氧氣在物料中的溶解濃度信號，通過信號變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到計算機(jī)內(nèi)。該系統(tǒng)的引入能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號的同時采集和記錄，并以Excel形式導(dǎo)出，可隨時查詢曲線，儲存歷史數(shù)據(jù)。采用分析儀測定體積傳質(zhì)系數(shù)，動態(tài)矩分析法[10?11]處理溶解氧數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定體積傳質(zhì)系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體裝載量的影響

對于空氣?水(兩相)和空氣?水?陰離子交換樹脂(三相)物系，在底部間隙為60 mm的HALR中，研究了陰離子交換樹脂固體裝載量（）不同時，表觀氣速（g）對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同固體裝載量下表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

由圖2可見，體積傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速的增大而增大。在表觀氣速為0.24~0.60 cm/s內(nèi)，三相物系的體積傳質(zhì)系數(shù)大于兩相物系的體積傳質(zhì)系數(shù)，而固體裝載量分別為1%、2%、3%的體積傳質(zhì)系數(shù)相差不大。這是因為，在表觀氣速較低時，加入固體顆粒后，增大了氣泡的破碎程度，使氣泡周圍的相界面不斷更新，有利于傳質(zhì)，使體積傳質(zhì)系數(shù)增加且略大于兩相的。在表觀氣速g＞0.6 cm/s時，固體裝載量為3%的體積傳質(zhì)系數(shù)最大。這是因為，在較高氣速下，固體體積濃度的增大使氣泡與旋流片的碰撞程度大，使氣泡發(fā)生大量的破碎，增加了氣液的混合程度，使反應(yīng)器的傳質(zhì)性能增強(qiáng)，導(dǎo)致體積傳質(zhì)系數(shù)增大[12]。

2.2 顆粒形狀的影響

實驗采用兩種不同形狀的顆粒樹脂，分別為K樹脂（橢圓形）和陰離子交換樹脂（圓球形）。K樹脂的顆粒粒徑為3 mm，陰離子交換樹脂的顆粒粒徑為0.5 mm。實驗前將兩種樹脂用水浸泡24 h，測其表觀密度分別為1.052 5、1.063 5 g/cm3，兩者密度相差不大，且兩種樹脂的體積均沒有出現(xiàn)膨脹。對于空氣?水?K樹脂、空氣?水?陰離子交換樹脂兩個物系（顆粒體積分?jǐn)?shù)均為2%），在底部間隙為60 mm的HALR中，表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響如圖3所示。

由圖3可見，當(dāng)表觀氣速固定于某一值，隨著顆粒粒徑的增大，體積傳質(zhì)系數(shù)呈下降趨勢。這是因為隨著顆粒粒徑的增大，使體系內(nèi)的表觀黏度增大，氣體易于生成大氣泡，降低了相間比表面積，使體積傳質(zhì)系數(shù)減小[13]；并且當(dāng)量直徑較小的樹脂在流動過程中，使氣泡易于發(fā)生破碎，增加了氣液的湍動程度，使反應(yīng)器的傳質(zhì)性能增強(qiáng)，從而使體積傳質(zhì)系數(shù)略有增加。

圖3　不同顆粒形狀條件下表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

2.3 有無分離器的影響

在重油加氫反應(yīng)過程中，由于局部過熱，往往會產(chǎn)生黏質(zhì)膠粒，進(jìn)而形成固體顆粒，需要及時將其排除反應(yīng)器外，為此本文開發(fā)設(shè)計了錐形固體顆粒分離器，安放在導(dǎo)流筒上方，在這種結(jié)構(gòu)的HALR中，對于空氣?水?陰離子交換樹脂物系，在固體體積分?jǐn)?shù)為2%和底部間隙為60 mm下，研究了有無分離器的條件下，表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4　有無分離器條件下表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

由圖4可知，當(dāng)表觀氣速較小（g≤0.48 cm/s）時，有無分離器對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響并不大；當(dāng)表觀氣速較大（g＞0.48 cm/s）時，有分離器的體積傳質(zhì)系數(shù)比無分離器的體積傳質(zhì)系數(shù)大。這是因為，反應(yīng)器流體在上升過程中，到達(dá)氣液分離器時，氣相被分離器溢出，使氣相和液相分離，氣相在反應(yīng)器上部停留時間短，使流體在導(dǎo)流筒內(nèi)外的壓差變大，體系內(nèi)推動力加強(qiáng)，流體的循環(huán)流動加強(qiáng)，增加了氣液相接觸面積，使體積傳質(zhì)系數(shù)增大，有利于傳質(zhì)。因此在較大氣速下，有分離器的反應(yīng)器比無分離器的傳質(zhì)特性好。

2.4 不同導(dǎo)流筒形式對比

對于空氣?水?陰離子交換樹脂物系，在固體裝載量為2%和底部間隙為60 mm，對其帶翅片導(dǎo)流筒、光滑導(dǎo)流筒和無導(dǎo)流筒形式的反應(yīng)器，表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同導(dǎo)流筒條件下表觀氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

由圖5可見，隨著表觀氣速的增大，不同導(dǎo)流筒形式的反應(yīng)器的體積傳質(zhì)系數(shù)均增大，但三者相差不大。在表觀氣速較?。╣≤0.48 cm/s）時，帶翅片導(dǎo)流筒的體積傳質(zhì)系數(shù)最大，其次是光滑導(dǎo)流筒的體積傳質(zhì)系數(shù)，最小的是無導(dǎo)流筒反應(yīng)器的體積傳質(zhì)系數(shù)；當(dāng)表觀氣速較大（g＞0.48 cm/s）時，帶翅片導(dǎo)流筒反應(yīng)器的體積傳質(zhì)系數(shù)減小。其原因是，當(dāng)表觀氣速較小（g≤0.48 cm/s）時，氣泡與旋流片發(fā)生碰撞，氣泡被大量破碎，小氣泡增多，有利于傳質(zhì)，使帶翅片導(dǎo)流筒的氣含率高于另兩個的氣含率，從而體積傳質(zhì)系數(shù)高于另兩個的體積傳質(zhì)系數(shù)；當(dāng)表觀氣速較大（g＞0.48 cm/s）時，氣泡在上升過程中與旋流片發(fā)生聚并，生成大量不利于傳質(zhì)的大氣泡，使氣含率下降，故體積傳質(zhì)系數(shù)下降。

3 結(jié)論

HALR中三相的體積傳質(zhì)系數(shù)大于兩相的體積傳質(zhì)系數(shù)；HALR中有分離器的體積傳質(zhì)系數(shù)大于無分離器的體積傳質(zhì)系數(shù)；HALR中隨著顆粒粒徑的增加，體積傳質(zhì)系數(shù)逐漸減??；當(dāng)表觀氣速較小（g≤0.48 cm/s）時，帶翅片導(dǎo)流筒的體積傳質(zhì)系數(shù)比光滑導(dǎo)流筒和無導(dǎo)流筒的均大。

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（編輯 閆玉玲）

Volumetric Mass Transfer Coefficients in 130 L Helical?Flow Airlift Loop Reactor

Gao Meiyi， Guo Qiuli， Liu Yongmin， Zhao Dezhi

(,,113001,）

For air?water?air?water?water?anion exchange resin system, the effects of solid loading, particle size, separator and different guide tube forms on mass transfer coefficients were studied in an airlift cyclone reactor (HALR) with a volume of 130 L (inner diameter 290 mm and height 2 000 mm) and an apparent gas velocity of 0~0.84 cm/s. The results showed that the volumetric mass transfer coefficients of the three phases system were larger than the two phases. As the particle size increased, the volumetric mass transfer coefficients decreased. The volumetric mass transfer coefficients with the solid separator was a little bigger than the none of separator.The volumetric mass transfer coefficient of the finned draft tube was the largest when the superficial gas velocity was small.

Airlift； Airlift loop reactor； Draft tube； Helical?flow； Volumetric mass transfer coefficient

TE626; TQ052.5

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2018.06.004

2017?05?24

2017?08?20

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目（972050）；中海油煉化公司資助項目（ HL00FW(P)2014?0005）。

高美伊（1992?），女，碩士研究生，從事環(huán)流反應(yīng)器研究；E?mail：280803664@qq.com。

劉永民（1959?），男，教授，從事環(huán)流反應(yīng)器研究；E?mail:liu79ym@tom.com。

1006396X（ 2018）06002404

http://journal.lnpu.edu.cn