用于電石生產(chǎn)新型反應器的開發(fā)及流動性能研究-wenkub
2023-07-08 14:23:46 本頁面
【正文】 征參數(shù)包括相含率、氣泡動力學、固體顆粒的流化狀態(tài)以及液體的流動速度等參數(shù)。一般認為，在淤漿鼓泡床中的存在三種流型： ①均勻鼓泡流：對應于低、中氣速（和高液速）條件，特征是氣泡尺寸小且在床 層中均勻分布，沒有大尺度的液體環(huán)流。 由上可知影響 SBCR 傳遞性能（因而反應性能）的因素眾多，如此多樣的聯(lián)系和相互作用的交織增加了復雜性，同時也提供了改進反應器性能的多種可能性。 （3）傳質(zhì)性能：軸向擴散系數(shù)、停留時間分布、流體固體、流體流體間對流傳質(zhì)系數(shù)。圖31例示了一個SBCR 反應器，其中，氣體經(jīng)預分布器分散后連續(xù)進入床層，床層中的換熱器構件用于調(diào)節(jié)或控制床層溫度（如移除加氫過程的反應熱）。在SBCR 內(nèi)部，結構簡單、熱容量大、燃燒強度高、排放污染物質(zhì)少且容易處理、傳熱強度高等優(yōu)點，所以既可以用于慢熱的反應又可以用于強熱的反應[4]。 基于對粉狀殘焦和CaO的高溫反應機理、焦中無機組分的作用以及氧熱反應狀況下的傳遞行為的認識：粉狀殘焦和CaO為固相，高溫條件下反應生成的2CaC 為液相，反應過程中需要的2O 和產(chǎn)生的 CO 為氣相，研究使用（固+固=液+氣）這類反應類型的優(yōu)化反應器構型，因此，本文構想適用該工藝的兩種反應器，一種是淤漿鼓泡床反應器，另一種是氣流床反應器?？紤]到電石生產(chǎn)的特點為固固多相接觸反應，而且反應器是實現(xiàn)有效化學轉(zhuǎn)化的場所，反應的宏觀性能取決于反應器內(nèi)的反應狀態(tài)和過程。電石工業(yè)對我國的經(jīng)濟發(fā)展至關重要，在電石的生產(chǎn)量和消費量上我國均是世界第一，從2009 年的產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，西北和華北地區(qū)電石產(chǎn)能進一步向內(nèi)蒙、寧夏等地集中，雖然如此，但是產(chǎn)能過剩、分散的局面仍是我國電石行業(yè)面臨的基本情況。從長遠利益考慮，發(fā)展電石行業(yè)符合我國“富煤少油”的國情，如何促進我國電石行業(yè)的健康、和諧發(fā)展值得不斷探索。決定反應狀態(tài)和過程的內(nèi)因是活性位尺度的本征反應動力學過程和反應熱力學性質(zhì)，外因是反應器內(nèi)的傳遞性能；反應器中內(nèi)、外因是耦合的，這種耦合關系決定了反應器的宏觀性能，因而是反應器工程研究的核心內(nèi)容。作為新型電石生產(chǎn)反應器開發(fā)的第一步，本文研究其多相流動特性，也即在冷態(tài)條件下，對淤漿鼓泡床而言，主要考察操作、物性及幾何參數(shù)與物料相分布、相接觸、相混合特性的關系及規(guī)律；對氣流床反應器，主要考察分析了床層的壓降、床層內(nèi)局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層內(nèi)固體顆粒濃度沿反應器軸向及徑向的分布規(guī)律，據(jù)此分析反應器的可行性，為新型電石反應器的研發(fā)提供借鑒和參考。近些年來，SBCR 的應用場合包括化學及生物化工等領域[5]，涉及諸如氧化、加氫、烷基化、聚合、FischerTropsch（FT）合成、液相甲醇合成、廢水處理、煤的直接液化等催化反應過程，也見諸非催化和生物過程[6]。 取決于不用的應用環(huán)境，SBCR 的形式多種多樣；基本地，可以按照操作模式和有無內(nèi)構件加以分類。 影響SBCR 傳遞性能表征參數(shù)的因素包括[8]：（1）操作條件：氣/液表觀速度、系統(tǒng)的溫度和壓力、進料組成、催化劑裝置和進料速率、反應器的加熱/冷卻速率。 流型 （1）流型的界定：多相流雖然存在相界面，但在各相內(nèi)部仍可定義層流或湍流，例如在多相流的Huler[8]模型中，但在物理上，作為非均相混合物整體，流型界定一般是以流動的宏（表）觀特征為依據(jù)的。 ②非均勻劇烈湍動（或聚并鼓泡）流：對應高氣速（和低液速）條件，特征是（由于聚并形成的）大、小兩類氣泡并存且氣體在床層中分布不均勻，還存在大尺度以及局部的液體環(huán)流。相含率指單位體積床層中某相的體積分率。 2) 壓力：通常來說，在高壓下氣泡的平均尺寸變小，因為高壓下大氣泡更容易破碎，從而使氣泡尺寸的分布變小，從而增加床層的氣含率[12]。 5) 顆粒直徑：在反應器內(nèi)，當固體顆粒的直徑非常小的時候，床層不的氣含率隨著小顆粒直徑的變大而變大，但是大到一定值時，床層的平均氣含率隨著其小顆粒的直徑而變小。固體顆粒操作狀態(tài)可以是間歇模式（如沸騰床中的催化劑）也可以是連續(xù)模式（如輸送床或三相循環(huán)流化床）。 ①表觀氣/液速：固相含率隨著表觀速度的增大而趨于均勻，當氣流速度增大時，有更多的固體顆粒被帶到床層更高的位置。 近些年來，Cova 等人 、Suganuma 和 Yamanishi提出的沉降分散模型（SedimentationDispersion Model, SDM 模型）被廣泛運用，這兩種模型能較好預測淤漿床反應器中固體顆粒的軸向分布。所以根據(jù)此研究結果床層內(nèi)的氣泡含率和上升速度可以分成大氣泡群和小氣泡群來研究[22]。 流動特性參數(shù)的測量 （1）氣含率的測定 在以往的研究中，測淤漿鼓泡床反應器中流體力學參數(shù)的測試方法有很多種，最常用的幾種方法如下：光纖探頭、射線法、攝像法、差壓傳感器法以及動態(tài)氣體溢出法來測量反應器中的平均氣含率、大小氣泡分布、固含率等參數(shù)。 攝像法[25]是運用高速的面陣攝像頭(CCD）來采集反應器內(nèi)的變化情況的圖片，此方法的前提是床層內(nèi)部的其他因素干擾少能、見度較高時，可直接的觀察到床層內(nèi)部氣泡的運動規(guī)律。 近些年，隨著光纖技術的成熟，光纖探針用于測量床層內(nèi)氣泡的一些變化規(guī)律也被廣泛運用在石油化工的領域 [26]。兩種方法都需要精密的實驗設備作為實驗的手段，在一些實驗條件不是很成熟的時候，通常采取直接取樣稱重法，這種方法是一種很簡單的方法，原理是通過取樣管把漿液取出來，烘干后稱重，這樣
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