130 L气升式旋流反应器体积传质系数研究

高美伊，郭秋丽，刘永民，赵德智



130 L气升式旋流反应器体积传质系数研究

高美伊，郭秋丽，刘永民，赵德智

（辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）

对于空气⁃水和空气⁃水⁃阴离子交换树脂物系，在体积为130 L（内径为290 mm、高为2 000 mm）气升式旋流反应器（HALR）中，当表观气速为0~0.84 cm/s时，研究了固体装载量、颗粒粒径、有无分离器、不同导流筒形式对体积传质系数的变化规律。结果表明，三相物系的体积传质系数大于两相的体积传质系数；随着颗粒粒径的增大，体积传质系数呈下降趋势；有分离器的体积传质系数大于无分离器的；表观气速较小时，带翅片导流筒的体积传质系数最大。

气升式；旋流反应器；导流筒；旋流；体积传质系数

随着经济的发展，全球对原油的需求量逐渐增大。有学者预测，近几年中国原油对外依存度将超过60%,并且原油还向着重质化、劣质化方向发展，轻质原油所占的比例越来越小,将重质油更多的转化为合格的轻质油品，成为我国石油行业的首要任务。目前，解决这个问题最好的方法就是采用重质油加氢工艺。该工艺一般采用悬浮床反应器[1⁃7]。在重油加氢过程中，会有黏稠的焦粒生成，此焦粒聚集而沉积在反应器的下部，使反应效率降低，对装置连续稳定运行造成伤害，为了避免这种情况的产生，要注重反应器结构与内构件的开发和设计[8]。文献[9]研究了在悬浮床中采用增加导流筒并在导流筒上安装旋流片的环流反应器，使反应器内流体形成循环式的螺旋流，增加了流体的湍动程度，使之在重油加氢中和煤化工中具有开发研究价值。鉴于文献[9]所研究反应器体积和直径较小，本文在此结构基础上开发研究了中试规模的体积为130 L的有倒锥型液固分离器的旋流气升式环流反应器（HALR），对其体积传质系数进行了实验研究，以期为该类反应器的工程应用提供技术支持。

1 实验部分

旋流气升式反应器主体高为2 000 mm，外径为300 mm，壁厚为5 mm。旋片导流筒（100 mm×3 mm×1.37 m）共有3组旋片且每组有4个旋片，旋片与轴向成30°夹角。有机玻璃制作而成的倒锥型液固分离器安装在导流筒上部，结构如图1(a)所示。主体外侧轴向高度为900 mm处设置一个溶氧电极。实验流程见图1（b）。反应器内气、液（固）的流动方式见文献[9]。

实验采用上海博取有限公司的多路数据采集系统，实验中用溶氧电极直接测得氧气在物料中的溶解浓度信号，通过信号变送器进行数据采集，再将模拟信号转化为数字信号输入到计算机内。该系统的引入能够实现多路信号的同时采集和记录，并以Excel形式导出，可随时查询曲线，储存历史数据。采用分析仪测定体积传质系数，动态矩分析法[10⁃11]处理溶解氧数据，进而确定体积传质系数。

2 结果与讨论

2.1 固体装载量的影响

对于空气⁃水(两相)和空气⁃水⁃阴离子交换树脂(三相)物系，在底部间隙为60 mm的HALR中，研究了阴离子交换树脂固体装载量（）不同时，表观气速（g）对体积传质系数的影响，结果如图2所示。

图2　不同固体装载量下表观气速对体积传质系数的影响

由图2可见，体积传质系数随表观气速的增大而增大。在表观气速为0.24~0.60 cm/s内，三相物系的体积传质系数大于两相物系的体积传质系数，而固体装载量分别为1%、2%、3%的体积传质系数相差不大。这是因为，在表观气速较低时，加入固体颗粒后，增大了气泡的破碎程度，使气泡周围的相界面不断更新，有利于传质，使体积传质系数增加且略大于两相的。在表观气速g＞0.6 cm/s时，固体装载量为3%的体积传质系数最大。这是因为，在较高气速下，固体体积浓度的增大使气泡与旋流片的碰撞程度大，使气泡发生大量的破碎，增加了气液的混合程度，使反应器的传质性能增强，导致体积传质系数增大[12]。

2.2 颗粒形状的影响

实验采用两种不同形状的颗粒树脂，分别为K树脂（椭圆形）和阴离子交换树脂（圆球形）。K树脂的颗粒粒径为3 mm，阴离子交换树脂的颗粒粒径为0.5 mm。实验前将两种树脂用水浸泡24 h，测其表观密度分别为1.052 5、1.063 5 g/cm3，两者密度相差不大，且两种树脂的体积均没有出现膨胀。对于空气⁃水⁃K树脂、空气⁃水⁃阴离子交换树脂两个物系（颗粒体积分数均为2%），在底部间隙为60 mm的HALR中，表观气速对体积传质系数的影响如图3所示。

由图3可见，当表观气速固定于某一值，随着颗粒粒径的增大，体积传质系数呈下降趋势。这是因为随着颗粒粒径的增大，使体系内的表观黏度增大，气体易于生成大气泡，降低了相间比表面积，使体积传质系数减小[13]；并且当量直径较小的树脂在流动过程中，使气泡易于发生破碎，增加了气液的湍动程度，使反应器的传质性能增强，从而使体积传质系数略有增加。

图3　不同颗粒形状条件下表观气速对体积传质系数的影响

2.3 有无分离器的影响

在重油加氢反应过程中，由于局部过热，往往会产生黏质胶粒，进而形成固体颗粒，需要及时将其排除反应器外，为此本文开发设计了锥形固体颗粒分离器，安放在导流筒上方，在这种结构的HALR中，对于空气⁃水⁃阴离子交换树脂物系，在固体体积分数为2%和底部间隙为60 mm下，研究了有无分离器的条件下，表观气速对体积传质系数的关系，结果如图4所示。

图4　有无分离器条件下表观气速对体积传质系数的影响

由图4可知，当表观气速较小（g≤0.48 cm/s）时，有无分离器对体积传质系数的影响并不大；当表观气速较大（g＞0.48 cm/s）时，有分离器的体积传质系数比无分离器的体积传质系数大。这是因为，反应器流体在上升过程中，到达气液分离器时，气相被分离器溢出，使气相和液相分离，气相在反应器上部停留时间短，使流体在导流筒内外的压差变大，体系内推动力加强，流体的循环流动加强，增加了气液相接触面积，使体积传质系数增大，有利于传质。因此在较大气速下，有分离器的反应器比无分离器的传质特性好。

2.4 不同导流筒形式对比

对于空气⁃水⁃阴离子交换树脂物系，在固体装载量为2%和底部间隙为60 mm，对其带翅片导流筒、光滑导流筒和无导流筒形式的反应器，表观气速对体积传质系数的影响结果如图5所示。

图5　不同导流筒条件下表观气速对体积传质系数的影响

由图5可见，随着表观气速的增大，不同导流筒形式的反应器的体积传质系数均增大，但三者相差不大。在表观气速较小（g≤0.48 cm/s）时，带翅片导流筒的体积传质系数最大，其次是光滑导流筒的体积传质系数，最小的是无导流筒反应器的体积传质系数；当表观气速较大（g＞0.48 cm/s）时，带翅片导流筒反应器的体积传质系数减小。其原因是，当表观气速较小（g≤0.48 cm/s）时，气泡与旋流片发生碰撞，气泡被大量破碎，小气泡增多，有利于传质，使带翅片导流筒的气含率高于另两个的气含率，从而体积传质系数高于另两个的体积传质系数；当表观气速较大（g＞0.48 cm/s）时，气泡在上升过程中与旋流片发生聚并，生成大量不利于传质的大气泡，使气含率下降，故体积传质系数下降。

3 结论

HALR中三相的体积传质系数大于两相的体积传质系数；HALR中有分离器的体积传质系数大于无分离器的体积传质系数；HALR中随着颗粒粒径的增加，体积传质系数逐渐减小；当表观气速较小（g≤0.48 cm/s）时，带翅片导流筒的体积传质系数比光滑导流筒和无导流筒的均大。

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（编辑 闫玉玲）

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

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）。

高美伊（1992⁃），女，硕士研究生，从事环流反应器研究；E⁃mail：280803664@qq.com。

刘永民（1959⁃），男，教授，从事环流反应器研究；E⁃mail:liu79ym@tom.com。

1006396X（ 2018）06002404

http://journal.lnpu.edu.cn