袁春昱，劉永民

（遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

氣升式環(huán)流反應(yīng)器由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、易密封、較高的傳質(zhì)傳熱性能等特點(diǎn)，近年來已在石油加工、生物化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器（MALR）[1]是一種液相既能間歇操作又能連續(xù)操作的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，它特別適用于氣-液或氣-液-固相反應(yīng)過程中催化劑的催化與再生這類反應(yīng),使之能連續(xù)進(jìn)行，如利用FCC干氣制備乙醛的過程[2]。

目前，對(duì)環(huán)流反應(yīng)器的研究多集中于其流動(dòng)與傳質(zhì)特性，而對(duì)其混合特性的研究則很少[3-6]。由于環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)物料具有循環(huán)流動(dòng)勢(shì)必存在返混，返混程度的大小對(duì)反應(yīng)過程的影響多半是不利的，因此，混合特性的研究對(duì)于反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和放大具有重要意義。本文主要研究了氣液固三相多室環(huán)流反應(yīng)器的混合特性參數(shù)（混合時(shí)間和波登斯坦準(zhǔn)數(shù)）隨兩上升室表觀氣速及乙醇水溶液濃度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 軸向分散系數(shù) 在環(huán)流反應(yīng)器中一般用軸向分散模型來模擬研究，該模型是在平推流的基礎(chǔ)上疊加上軸向反向擴(kuò)散來加以修正，并假定該軸向擴(kuò)散過程可以用費(fèi)克定律加以定量描述。用軸向分散系數(shù)表征分子擴(kuò)散及由湍動(dòng)速度波動(dòng)和渦流引起的對(duì)平推流的偏離。引入波登斯坦（Bodenstein）準(zhǔn)數(shù)（B0）來衡量這個(gè)偏離程度，該準(zhǔn)數(shù)定義式為：

式中 U：液體速度，m·s-1；L：液相循環(huán)一周的距離，m；EZ：反向擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1。B0是軸向分散模型的唯一參數(shù)，其值表示軸向返混的程度。B0值愈大軸向返混程度愈小，流體流動(dòng)愈接近平推流。當(dāng)B0準(zhǔn)數(shù)等于0，流體完全混合，而對(duì)于較大B0（B0＞20），可認(rèn)為流體流動(dòng)為平推流[7]。

1.1.2 混合時(shí)間 混合時(shí)間是衡量混合特性最常用的參數(shù)，是指示蹤劑注入反應(yīng)器至達(dá)到一定混勻度的時(shí)間?；靹蚨鹊亩x是：

式中 ct：示蹤劑瞬時(shí)濃度；c∞：示蹤劑完全混合后的濃度。通?？烧J(rèn)為h=5%時(shí)即為完全混合。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置、流程和條件

多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器（MALR）的主體結(jié)構(gòu)參見圖1，該反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制成，其內(nèi)徑為17cm，高為98.5cm；內(nèi)置十字隔板，將反應(yīng)器均分為四室，一、三室為上升室，二、四室為下降室。

圖1 多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic construction diagram of the multi-compartment airlift reactor

空氣通過空壓機(jī)加壓后，由微孔氣體分布器進(jìn)入反應(yīng)器，由于氣體提升，反應(yīng)器內(nèi)的流體由一室上升繞過隔板進(jìn)入二室，再由二室底部進(jìn)入三室，繼而由三室上升繞過隔板進(jìn)入四室，最后由四室底部回到一室，從而形成流體的循環(huán)流動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)操作條件為：一室氣體表觀速度的范圍在0.2462～2.9369m·s-1，三室氣體表觀速度在 0.1604～3.9158m·s-1之間，三相物系是空氣 -低濃度（v）乙醇溶液-聚苯乙烯顆粒體系，實(shí)驗(yàn)過程中用到了4種物系：物系1為空氣-水-聚苯乙烯體系；物系2為空氣-0.1%（v）的乙醇溶液-聚苯乙烯體系；物系3為空氣-0.5%（v）的乙醇溶液-聚苯乙烯體系；物系4為空氣-1%（v）的乙醇溶液-聚苯乙烯體系。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合時(shí)間（tm）

圖2為物系4中，tm隨兩上升室表觀氣速的變化。

由圖2可見，物系4中混合時(shí)間（tm）隨三室表觀氣速（Ug3）的增大而減小，而且一定表觀氣速（Ug1）越大，tm隨Ug3的變化趨勢(shì)越平緩，反應(yīng)器內(nèi)返混程度變化不大。同時(shí)，Ug1越大，所需的tm也越少。tm隨兩上升室表觀氣速的增大而降低，反應(yīng)器內(nèi)返混程度逐漸增大，原因是兩上升室表觀氣速增大，器內(nèi)循環(huán)液速增大，tm就相應(yīng)地會(huì)減少。當(dāng)Ug1很大時(shí)，器內(nèi)的湍動(dòng)程度已經(jīng)很劇烈，增加Ug3對(duì)器內(nèi)的湍動(dòng)程度的影響不大，故Ug1越大，tm隨Ug3的變化越平緩。

圖2 物系4中，tm隨兩上升室表觀氣速的變化Fig.2 tmvs the superficial gas velocity of two risers in the system 4

圖3為器內(nèi)混合時(shí)間隨乙醇溶液濃度的變化規(guī)律。

圖3 tm隨乙醇濃度、三室表觀氣速的變化Ug1=0.2462m·s-1Fig.3 tmvs the superficial gas velocity of the third compartment、concentration of ethyl alcohol solution

由圖3可知，乙醇濃度越大，所需的混合時(shí)間越長，這是因?yàn)橐掖既芤旱臐舛仍酱螅仙液拖陆凳业臍夂什钭冃?，液體的循環(huán)速度相應(yīng)地減小，混合時(shí)間越長，反應(yīng)器內(nèi)返混程度就越小。

2.2 波登斯坦準(zhǔn)數(shù)B0

圖4為物系3中，B0兩上升室表觀氣速的變化。

圖4 物系3中,B0兩上升室表觀氣速的變化Fig.4 B0vs the superficial gas velocity of two risers in the system 3

由圖4可見，固定乙醇溶液濃度，固定Ug1，B0隨Ug3的增大而減小，而且固定氣速越大，B0準(zhǔn)數(shù)逐漸減小。那是因?yàn)閁g3越大，器內(nèi)湍動(dòng)程度加大，返混程度也要增大，B0準(zhǔn)數(shù)就會(huì)減小。同理，固定氣速越大，器內(nèi)返混加劇，B0減小。

圖5為乙醇溶液濃度對(duì)B0準(zhǔn)數(shù)的影響。

圖5 B0隨乙醇濃度、三室表觀氣速的變化（Ug1=0.2462m·s-1）Fig.5 B0vs the superficial gas velocity of the third compartment、concentration of ethyl alcohol solution

由圖5可見，乙醇溶液濃度越大，B0準(zhǔn)數(shù)越小。原因是乙醇溶液濃度越大，同樣的表觀氣速下，器內(nèi)的湍動(dòng)程度會(huì)加劇，B0減小。

從圖4、5可以看出，B0值都在20以上，說明MALR在流動(dòng)時(shí)接近于有弱擾動(dòng)的活塞流流動(dòng)，可以用軸向分散模型來研究該反應(yīng)器的混合特性[7]。

3 結(jié)論

（1）固定一室表觀氣速，tm隨三室表觀氣速的增大而減小，固定表觀氣速越大，tm隨三室表觀氣速的變化趨勢(shì)變得平緩。對(duì)于空氣-乙醇溶液-聚苯乙烯體系，乙醇溶液越高，tm會(huì)越長。

（2）固定一室表觀氣速，B0隨三室表觀氣速的增大而減小，固定表觀氣速越大，B0隨三室表觀氣速的變化趨勢(shì)變得平緩。對(duì)于空氣-乙醇溶液-聚苯乙烯體系，乙醇濃度越高，B0會(huì)越小。

（3）可以用軸向分散模型模擬該反應(yīng)器。

［1］劉永民，胡華，丁富新，等.多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器的流動(dòng)特性研究［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），1996，12（1）：73-79.

［2］劉永民，袁乃駒.在多室環(huán)流反應(yīng)器中用FCC干氣制備乙醛［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），2005，2l（2）：92-94.

［3］于大秋，劉永民，朱慧紅.多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器的軸向分散及混合特性［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2004,17（1）:16-19.

［4］劉永民，張紅，張永利.氣升式環(huán)流反應(yīng)器的傳質(zhì)特性［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），2003，19（6）：70-74.

［5］張永利，劉永民，張紅.多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器的氣含率研究［J］.當(dāng)代化工，2002,31（3）：145-147.

［6］朱慧紅，劉永民，于大秋.多室氣升式環(huán)流反應(yīng)器氣、液、固三相相含率的研究［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），2004,20（6）：68-73.