GLS-MALR中混合特性的研究*

2012-02-07袁春昱刘永民

化学工程师 2012年9期

袁春昱，刘永民

（辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001）

气升式环流反应器由于其具有结构简单、造价低、易密封、较高的传质传热性能等特点，近年来已在石油加工、生物化工、环境保护等领域得到了广泛的应用。多室气升式环流反应器（MALR）[1]是一种液相既能间歇操作又能连续操作的气升式环流反应器，它特别适用于气-液或气-液-固相反应过程中催化剂的催化与再生这类反应,使之能连续进行，如利用FCC干气制备乙醛的过程[2]。

目前，对环流反应器的研究多集中于其流动与传质特性，而对其混合特性的研究则很少[3-6]。由于环流反应器内物料具有循环流动势必存在返混，返混程度的大小对反应过程的影响多半是不利的，因此，混合特性的研究对于反应器的优化设计和放大具有重要意义。本文主要研究了气液固三相多室环流反应器的混合特性参数（混合时间和波登斯坦准数）随两上升室表观气速及乙醇水溶液浓度的变化规律。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1 轴向分散系数在环流反应器中一般用轴向分散模型来模拟研究，该模型是在平推流的基础上叠加上轴向反向扩散来加以修正，并假定该轴向扩散过程可以用费克定律加以定量描述。用轴向分散系数表征分子扩散及由湍动速度波动和涡流引起的对平推流的偏离。引入波登斯坦（Bodenstein）准数（B0）来衡量这个偏离程度，该准数定义式为：

式中 U：液体速度，m·s-1；L：液相循环一周的距离，m；EZ：反向扩散系数，m2·s-1。B0是轴向分散模型的唯一参数，其值表示轴向返混的程度。B0值愈大轴向返混程度愈小，流体流动愈接近平推流。当B0准数等于0，流体完全混合，而对于较大B0（B0＞20），可认为流体流动为平推流[7]。

1.1.2 混合时间混合时间是衡量混合特性最常用的参数，是指示踪剂注入反应器至达到一定混匀度的时间。混匀度的定义是：

式中 ct：示踪剂瞬时浓度；c∞：示踪剂完全混合后的浓度。通常可认为h=5%时即为完全混合。

1.2 实验装置、流程和条件

多室气升式环流反应器（MALR）的主体结构参见图1，该反应器用有机玻璃制成，其内径为17cm，高为98.5cm；内置十字隔板，将反应器均分为四室，一、三室为上升室，二、四室为下降室。

图1 多室气升式环流反应器的主体结构图Fig.1 Schematic construction diagram of the multi-compartment airlift reactor

空气通过空压机加压后，由微孔气体分布器进入反应器，由于气体提升，反应器内的流体由一室上升绕过隔板进入二室，再由二室底部进入三室，继而由三室上升绕过隔板进入四室，最后由四室底部回到一室，从而形成流体的循环流动。

实验操作条件为：一室气体表观速度的范围在0.2462～2.9369m·s-1，三室气体表观速度在 0.1604～3.9158m·s-1之间，三相物系是空气 -低浓度（v）乙醇溶液-聚苯乙烯颗粒体系，实验过程中用到了4种物系：物系1为空气-水-聚苯乙烯体系；物系2为空气-0.1%（v）的乙醇溶液-聚苯乙烯体系；物系3为空气-0.5%（v）的乙醇溶液-聚苯乙烯体系；物系4为空气-1%（v）的乙醇溶液-聚苯乙烯体系。

2 结果与讨论

2.1 混合时间（tm）

图2为物系4中，tm随两上升室表观气速的变化。

由图2可见，物系4中混合时间（tm）随三室表观气速（Ug3）的增大而减小，而且一定表观气速（Ug1）越大，tm随Ug3的变化趋势越平缓，反应器内返混程度变化不大。同时，Ug1越大，所需的tm也越少。tm随两上升室表观气速的增大而降低，反应器内返混程度逐渐增大，原因是两上升室表观气速增大，器内循环液速增大，tm就相应地会减少。当Ug1很大时，器内的湍动程度已经很剧烈，增加Ug3对器内的湍动程度的影响不大，故Ug1越大，tm随Ug3的变化越平缓。