旋流气升式反应器中醇水溶液的气含率与循环液速研究*

邱 爽，高美伊，郭秋丽，戴咏川，刘永民

（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部化工1302，辽宁 抚顺 113001）

旋流气升式反应器中醇水溶液的气含率与循环液速研究*

邱 爽，高美伊，郭秋丽，戴咏川，刘永民*

（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部化工1302，辽宁 抚顺 113001）

在内径0.090m总高2.4m的旋流气升式环流反应器中，以空气作气相，分别以水、1%（v）正丁醇水溶液和异丙醇水溶液（浓度（v）为1%、5%、10%）为液相，在上升区表观气速为0.46～2.53cm·s-1范围内，研究了底部间隙、翅片数量、异丙醇水溶液和正丁醇水溶液物系对上升区气含率和下降区液体速度随上升区表观气速的变化规律。结果表明：上升区气含率随底部间隙的减小而增加，液体循环速度则减小；翅片数越少，循环液速越高，3翅片的下降区液体速度比4翅片的平均高约28.3%；气含率在低气速时3翅片的大于4翅片的，高气速时4翅片的大于3翅片的；醇的浓度增加，气含率增加；1%异丙醇水溶液物系的气含率、循环速度均小于1%正丁醇水溶液物系。

气升式；旋流气升式环流反应器；气含率；循环液速

环流反应器是一种以气源为动力，使气体和液体充分混合并使液体有规则循环流动的多相反应器，具有操作便捷、结构简单、易密封、能耗低、传质传热和混合效果良好等诸多优点使之在石油化工、生物化工以及冶金等领域中得到了广泛的应用[1，2]。

随着经济的发展，异丙醇、正丁醇等C4醇类在生物化工、制药、精细化工、电子工业等领域应用愈加广泛，用量也逐渐加大，随之而来伴生了大量含该醇类的工业废水，处理该类废水的设备——反应器也比较多，而提高反应器内的气液接触效率，强化气液的混合程度是提高废水处理效果、降低能耗的重要研究方向，为此本文对新型结构导流筒的旋流气升式环流反应器[3,4]进行了研究。

上升区平均气含率和液体循环速度是反映反应器内传质、反应性能、流动与混合、传热性能以及反应器放大设计的的重要特性参数，目前，对这两个参数的研究多见水物系[5-7]，为丰富其它液相物料体系的研究，使反应器特性参数的研究更具适用性，本文应用模拟含异丙醇和正丁醇的废水，考察反应器中旋流导流筒底部与反应器底板间的距离（简称底部间隙）、旋流片数量等因素对旋流气升式反应器的上升区平均气含率和下降区液体速度进行了实验研究，以期探索物料的性质、旋流片形式、旋流导流筒安装尺寸对反应器性能的影响，为该类反应器的工程应用提供技术支持。

1 实验部分

1.1 旋流反应器结构及实验流程

图1 旋流气升式环流反应器与实验流程图Fig.1 Schematic diagram of the Helical-flow airlift loop reactor and experimental flow process chart

本文用旋流气升式环流反应器（图1A）的主体结构高2m内径0.09m，总高2.4m；旋流导流筒（其中导流管规格为Φ50×5×1500）有两种结构，在其径向固定的旋流片（图1（B））每组有3个翅片的简称“3翅片导流筒（w=3）”，每组有4个翅片的简称“4翅片导流筒（w=4）”，每个导流筒上共有10组翅片，且旋流片与轴向成60°角；反应器及内构件材料为有机玻璃。反应器内气体、液体的流动参见文献[3]。

1.2 实验条件

常温常压下，上升区表观气速范围为0.46～2.53cm·s-1，反应器中导流筒底部与反应器底板间的距离称之为底部间隙（h），根据文献[3,4]的研究结果本文选定底部间隙为1.2cm和2.4cm；实验物系中气相为空气，液相分别为水、体积浓度为1%正丁醇水溶液以及体积浓度分别为1%、5%和10%的异丙醇水溶液，液相间歇操作，液体静液高156cm。

1.3 实验原理

1.3.1 上升区平均气含率 对上升区微元管段做动量平衡，由于管段很小（20cm），忽略流体流动阻力和流体加速项，可得上升区ΔZ内的局部气含率[3]：

在反应器上升区轴向上平均设7个测压孔（见图1A），可测6个局部气含率，由此6个局部气含率计算得到上升区平均气含率（Er），

式中 Δz：上升区两测压点距离;Δh：在两个测压点间压差计读数；ρ c，ρ L分别为指示剂和实验用液体的密度；Vr：7个测压孔区域包含的上升区（即环隙区）的体积；Ar：环隙区的横截面积。

1.3.2 下降区液体速度 液体流动速度采用上海博取有限公司的多路数据采集系统，利用电导脉冲示踪（示踪剂为饱和KCl水溶液）技术测定液体循环速度，在上升区的上、下端各安装一个在线电导率仪，测量液体在上升区的运动时间（tr），根据两个电极间液体运动的距离（Lr）可得上升区液体线速度（ULr），即：

依据液体连续性方程，可得下降区表观液速（ULd）s：

式中 Ad：下降区截面积；Lr：液体在两个电极间的流动距离，该距离由两个电极间的直线距离、旋流片长度与安装角度和组数决定。

2 结果与讨论

2.1 上升区平均气含率

2.1.1 底部间隙的影响 对于空气-1%异丙醇水溶液物系，3翅片导流筒（w=3），底部间隙（h）不同时上升区平均气含率随表观气速的变化规律见图2。

图2 w=3，h不同时上升区平均气含率随表观气速的变化Fig.2 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities at w=3 and different h

由图2可见，上升区平均气含率随表观气速的增加而增加，在同一表观气速下上升区平均气含率随着底部间隙的增大而减小，但增加的幅度很小，两种底部间隙的气含率相差的平均相对误差为5.7%。这是由于底部间隙越小，反应器内液体的流动阻力越大，液体流动速度就越小（见图6），气泡上升速度越慢，使气泡在上升区内停留时间增长，导致气含率增加；由于两个底部间隙差别较小，气含率增加的幅度并不大。

2.1.2 导流筒上翅片数（w）的影响

图3 h=2.4cm，1%异丙醇水溶液物系，w不同时上升区平均气含率与其表观气速的关系Fig.3 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities for the 1%bulk concentration of isopropanol aqueous solution and h=2.4cm at different w

对于空气-1%异丙醇水溶液物系，在底部间隙2.4cm，翅片数分别为3个和4个时，上升区的平均气含率与表观气速的关系见图3。

由图3可见，对于两种翅片的导流筒,上升区的平均气含率随着表观气速的上升而上升，表观气速较小时（在 0.63～1.58cm·s-1）,3翅导流筒的气含率高于 4 翅的；在高气速（1.89～2.53cm·s-1）时，4 翅导流筒的平均气含率大于3翅的平均气含率。这是因为在表观气速较小时，旋流的翅片越多越易使气泡聚并而形成稍大的气泡，使气含率下降；而当表观气速较大时，气泡浓度和上升速度大，翅片越多越易于破碎气泡而形成更多的小气泡[4]，导致气含率增加。

2.1.3 异丙醇浓度的影响 在3翅片导流筒底部间隙为1.2cm的旋流反应器中，考察了液相分别为水、异丙醇水溶液浓度分别为1%、5%和10%的4组物系，上升区平均气含率随表观气速的变化规律，结果见图4。

图4 异丙醇浓度（C）不同时上升区平均气含率随表观气速的变化Fig.4 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities at different the bulk concentration of isopropanol aqueous solution

由图4可见，在实验表观气速的范围内，无论浓度多少，上升区平均气含率皆随着表观气速的增加而增加。在相同的表观气速下，异丙醇浓度越高，上升区平均气含率越高。这是由于水溶液中异丙醇浓度越高溶液的表面张力就越小[8]，表面张力越小则产生的气泡直径就越小，单位液体体积内气泡浓度就越大，所以气含率就随异丙醇浓度的增加而增加。可以认为：在其他条件一定时，异丙醇浓度越高（C≤10%），上升区平均气含率越高。

2.1.4 不同醇物系的影响 在3翅片导流筒底部间隙为1.2cm的旋流反应器中，考察了液相为不同醇物系即1%异丙醇水溶液和1%正丁醇水溶液物系的上升区平均气含率随其表观气速的变化规律，结果见图5。

图5 h=1.2cm,w=3时，不同醇物系时上升区平均气含率随表观气速的变化Fig.5 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities at h=2.4cm w=3 for different alcohols aqueous solutions

由图5可见，两个不同醇物系，上升区平均气含率均随着表观气速的增加而增加，在上升区表观气速小于等于0.95cm·s-1时，两个醇物系气含率几乎没有差别，而在上升区表观气速超过0.95cm·s-1时，正丁醇水溶液物系的气含率比异丙醇水溶液大，平均高出12.9%。这说明水溶液中含有少量的正丁醇，会是液相成为非聚并体系，能够增加液相中气体容量，强化了传质过程[9]，有利污水中有害组分的降解。

2.2 下降区液体速度

2.2.1 不同底部间隙和不同翅片数的影响 在异丙醇浓度（C）为1%，不同底部间隙（h）和不同导流筒翅片数（w）时，下降区液体表观速度与上升区表观气速的变化规律见图6。

图6 C=1%、不同h和不同w时，下降区液体表观速度与上升区表观气速的关系Fig.6 Liquid velocities in downcommer vs.with superficial gas velocities at different h and w

由图6可见，翅片数（w）和表观气速一定时，底部间隙越小，表观循环液速也越小，这是因为h越小，反应器底部转向处的流通面积越小，相应流动阻力就会增大，从而使循环液速减小。从图6还可看出，在底部间隙一定（h=2.4cm）时，导流筒上每组旋流片越多循环液速越小，这是由于旋流片越多，越易阻碍流体运动，使流动阻力加大，液相速度减小。从图6还可看到，旋流片数目对液体速度的影响更大，3翅片下降区表观液速比4翅片的平均高出28.3%。

2.2.2 不同醇物系的影响 在底部间隙为2.4cm，导流筒翅片为4时，考察了1%异丙醇水溶液和1%正丁醇水溶液物系下降区液体表观速度与表观气速的变化规律（图7）。

图7 h=2.4cm,w=4时，不同醇物系的下降区表观液速与表观气速的关系Fig.7 Liquid velocities in downcommer vs.with superficial gas velocities at h=2.4cm,w=4 for different alcohols aqueous solutions

随着表观气速的上升，2种1%浓度醇物系的循环液速也均在上升，在Ugs≤1.58cm·s-1时，液体速度增加明显，在Ugs＞1.58cm·s-1时液体速度增加平缓，这是由于表观气速较小时气速的增加主要施加提高流体的动能，流动阻力相对较小；而在表观气速较大时，快速流动的气泡液体与旋流片碰撞频率增加，气液相互作用和涡流加剧，流动阻力增加，使液体速度增加平缓。对于两种醇水溶液物系，正丁醇物系明显高于异丙醇物系，平均高13%，这是由于正丁醇物系的上升区气含率比异丙醇大的原因（见图5），气含率的大小反映了反应器中循环动力的大小。

3 结论

在底部间隙为1.2和2.4cm，表观气速在0.63～2.53cm·s-1范围内，研究得到以下结果：

（1）底部间隙越小，上升区气含率越大，液体循环速度越小；

（2）在导流筒径向外圆周上的旋流片数量对气含率影响：气速较小时，较少的旋流片有利于气含率的提高，气速较大（＞1.58cm·s-1）时，4翅片优于 3翅片结构；对循环液速提高而言翅片数越少越有利。

（3）异丙醇水溶液浓度越高，上升区气含率越大。

（4）1%异丙醇水溶液和1%正丁醇水溶液物系，正丁醇物系的气含率、循环速度均大于异丙醇物系。

［1］ 郭秋丽,赵德智,刘永民，等.气升式环流反应器特性参数的研究进展［J］.应用化工,2017,46（4）:765-769.

［2］ 丁富新，李飞，袁乃驹.环流反应器的发展及应用［J］.石油化工，2004，33（9）：801-807.

［3］ 王爽,马嘉楠,刘永民,等.旋流气升式环流反应器的局部气、固含率研究［J］.化工科技,2015,23（3）:13-16.

［4］ 李志敏,刘永民,谢嫘祖,等.旋流气升式环流反应器的气含率轴向分布［J］.化工进展,2015（7）:1826-1831.

［5］ 卢春喜.环流技术在石油炼制领域中的研究与应用［J］.化工学报,2010,61（9）:2177-2185.

［6］ 汤立新，吕效平，孔黎明.气升式环流反应器研究与应用进展［J］.化工进展，2002,21（11）：814-819.

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［8］ 吴光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册［M］.化学工业出版社，北京：2002，581.

［9］ 王维，李佑楚，石炎福.低分子量有机添加剂对内环流反应器中气含率和气液传质系数的影响［J］.化工冶金，1999,20（2）：182-186.

Study on average gas holdup in riser and liquid velocities in downcommer in the helical-flow air-lift ioop reactor for alcoholic aqueous solutions*

QIU Shuang，GAO Mei-yi，GUO Qiu-li，DAI Yong-chuan，LIU Yong-min*
（College of Chemistry,Chemical Engineering and Environment Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001，China）

Average gas holdup in riser and liquid superficial velocities in downcommer were studied on different bottom tap,the numbers of helical sheets,the bulk concentration of 1（v）%n-butanol and isopropanol aqueous solution（1%、5%、10%v.）,type of alcohols,with superficial gas velocities of riser,for the systems of the air being gas phase and water,isopropanol and n-butanol aqueous solution being liquid phase,respectively,in the helicalflow airlift loop reactor with 0.09m in inner diameter and 2.40m in total height.The superficial gas velocities in riser was in the range of 0.46～2.53cm·s-1.The results show,that average gas holdup in riser was increased and the liquid superficial velocities in downcommer was decreased with the decreasing of bottom tap.The larger the liquid superficial velocities was,the less the numbers of helical sheets was.The liquid velocities of 3 helical sheets was more average 28.3%than the one of 4 helical sheets.The gas holdup in 3 helical sheets was more than the one of 4 helical sheets at the lower superficial gas rates,and the opposite at the higher superficial gas rates.The gas holdups increased with increasing of the concentration of isopropanol aqueous solution.The gas holdup and the liquid velocities of the 1%isopropanol aqueous solution were smaller than ones of the 1%n-butanol aqueous solution.

airlift；helical-flow airlift loop reactor；gas holdup;liquid circulation

TQ052.5

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171060

2017-06-23

辽宁省自然科学基金资助项目（972050）；中海油炼化公司资助项目（HL00FW（P）2014-0005）

邱 爽（1994-），男，辽宁阜新人，辽宁石油化工大学本科生，主要从事环流反应器的研究。