邱 爽，高美伊，郭秋麗，戴詠川，劉永民

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部化工1302，遼寧 撫順 113001）

旋流氣升式反應(yīng)器中醇水溶液的氣含率與循環(huán)液速研究*

邱 爽，高美伊，郭秋麗，戴詠川，劉永民*

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部化工1302，遼寧 撫順 113001）

在內(nèi)徑0.090m總高2.4m的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器中，以空氣作氣相，分別以水、1%（v）正丁醇水溶液和異丙醇水溶液（濃度（v）為1%、5%、10%）為液相，在上升區(qū)表觀氣速為0.46～2.53cm·s-1范圍內(nèi)，研究了底部間隙、翅片數(shù)量、異丙醇水溶液和正丁醇水溶液物系對上升區(qū)氣含率和下降區(qū)液體速度隨上升區(qū)表觀氣速的變化規(guī)律。結(jié)果表明：上升區(qū)氣含率隨底部間隙的減小而增加，液體循環(huán)速度則減小；翅片數(shù)越少，循環(huán)液速越高，3翅片的下降區(qū)液體速度比4翅片的平均高約28.3%；氣含率在低氣速時3翅片的大于4翅片的，高氣速時4翅片的大于3翅片的；醇的濃度增加，氣含率增加；1%異丙醇水溶液物系的氣含率、循環(huán)速度均小于1%正丁醇水溶液物系。

氣升式；旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器；氣含率；循環(huán)液速

環(huán)流反應(yīng)器是一種以氣源為動力，使氣體和液體充分混合并使液體有規(guī)則循環(huán)流動的多相反應(yīng)器，具有操作便捷、結(jié)構(gòu)簡單、易密封、能耗低、傳質(zhì)傳熱和混合效果良好等諸多優(yōu)點使之在石油化工、生物化工以及冶金等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，異丙醇、正丁醇等C4醇類在生物化工、制藥、精細化工、電子工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛，用量也逐漸加大，隨之而來伴生了大量含該醇類的工業(yè)廢水，處理該類廢水的設(shè)備——反應(yīng)器也比較多，而提高反應(yīng)器內(nèi)的氣液接觸效率，強化氣液的混合程度是提高廢水處理效果、降低能耗的重要研究方向，為此本文對新型結(jié)構(gòu)導(dǎo)流筒的旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器[3,4]進行了研究。

上升區(qū)平均氣含率和液體循環(huán)速度是反映反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)、反應(yīng)性能、流動與混合、傳熱性能以及反應(yīng)器放大設(shè)計的的重要特性參數(shù)，目前，對這兩個參數(shù)的研究多見水物系[5-7]，為豐富其它液相物料體系的研究，使反應(yīng)器特性參數(shù)的研究更具適用性，本文應(yīng)用模擬含異丙醇和正丁醇的廢水，考察反應(yīng)器中旋流導(dǎo)流筒底部與反應(yīng)器底板間的距離（簡稱底部間隙）、旋流片數(shù)量等因素對旋流氣升式反應(yīng)器的上升區(qū)平均氣含率和下降區(qū)液體速度進行了實驗研究，以期探索物料的性質(zhì)、旋流片形式、旋流導(dǎo)流筒安裝尺寸對反應(yīng)器性能的影響，為該類反應(yīng)器的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實驗流程

圖1 旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器與實驗流程圖Fig.1 Schematic diagram of the Helical-flow airlift loop reactor and experimental flow process chart

本文用旋流氣升式環(huán)流反應(yīng)器（圖1A）的主體結(jié)構(gòu)高2m內(nèi)徑0.09m，總高2.4m；旋流導(dǎo)流筒（其中導(dǎo)流管規(guī)格為Φ50×5×1500）有兩種結(jié)構(gòu)，在其徑向固定的旋流片（圖1（B））每組有3個翅片的簡稱“3翅片導(dǎo)流筒（w=3）”，每組有4個翅片的簡稱“4翅片導(dǎo)流筒（w=4）”，每個導(dǎo)流筒上共有10組翅片，且旋流片與軸向成60°角；反應(yīng)器及內(nèi)構(gòu)件材料為有機玻璃。反應(yīng)器內(nèi)氣體、液體的流動參見文獻[3]。

1.2 實驗條件

常溫常壓下，上升區(qū)表觀氣速范圍為0.46～2.53cm·s-1，反應(yīng)器中導(dǎo)流筒底部與反應(yīng)器底板間的距離稱之為底部間隙（h），根據(jù)文獻[3,4]的研究結(jié)果本文選定底部間隙為1.2cm和2.4cm；實驗物系中氣相為空氣，液相分別為水、體積濃度為1%正丁醇水溶液以及體積濃度分別為1%、5%和10%的異丙醇水溶液，液相間歇操作，液體靜液高156cm。

1.3 實驗原理

1.3.1 上升區(qū)平均氣含率 對上升區(qū)微元管段做動量平衡，由于管段很?。?0cm），忽略流體流動阻力和流體加速項，可得上升區(qū)ΔZ內(nèi)的局部氣含率[3]：

在反應(yīng)器上升區(qū)軸向上平均設(shè)7個測壓孔（見圖1A），可測6個局部氣含率，由此6個局部氣含率計算得到上升區(qū)平均氣含率（Er），

式中 Δz：上升區(qū)兩測壓點距離;Δh：在兩個測壓點間壓差計讀數(shù)；ρ c，ρ L分別為指示劑和實驗用液體的密度；Vr：7個測壓孔區(qū)域包含的上升區(qū)（即環(huán)隙區(qū)）的體積；Ar：環(huán)隙區(qū)的橫截面積。

1.3.2 下降區(qū)液體速度 液體流動速度采用上海博取有限公司的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用電導(dǎo)脈沖示蹤（示蹤劑為飽和KCl水溶液）技術(shù)測定液體循環(huán)速度，在上升區(qū)的上、下端各安裝一個在線電導(dǎo)率儀，測量液體在上升區(qū)的運動時間（tr），根據(jù)兩個電極間液體運動的距離（Lr）可得上升區(qū)液體線速度（ULr），即：

依據(jù)液體連續(xù)性方程，可得下降區(qū)表觀液速（ULd）s：

式中 Ad：下降區(qū)截面積；Lr：液體在兩個電極間的流動距離，該距離由兩個電極間的直線距離、旋流片長度與安裝角度和組數(shù)決定。

2 結(jié)果與討論

2.1 上升區(qū)平均氣含率

2.1.1 底部間隙的影響 對于空氣-1%異丙醇水溶液物系，3翅片導(dǎo)流筒（w=3），底部間隙（h）不同時上升區(qū)平均氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律見圖2。

圖2 w=3，h不同時上升區(qū)平均氣含率隨表觀氣速的變化Fig.2 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities at w=3 and different h

由圖2可見，上升區(qū)平均氣含率隨表觀氣速的增加而增加，在同一表觀氣速下上升區(qū)平均氣含率隨著底部間隙的增大而減小，但增加的幅度很小，兩種底部間隙的氣含率相差的平均相對誤差為5.7%。這是由于底部間隙越小，反應(yīng)器內(nèi)液體的流動阻力越大，液體流動速度就越?。ㄒ妶D6），氣泡上升速度越慢，使氣泡在上升區(qū)內(nèi)停留時間增長，導(dǎo)致氣含率增加；由于兩個底部間隙差別較小，氣含率增加的幅度并不大。

2.1.2 導(dǎo)流筒上翅片數(shù)（w）的影響

圖3 h=2.4cm，1%異丙醇水溶液物系，w不同時上升區(qū)平均氣含率與其表觀氣速的關(guān)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

對于空氣-1%異丙醇水溶液物系，在底部間隙2.4cm，翅片數(shù)分別為3個和4個時，上升區(qū)的平均氣含率與表觀氣速的關(guān)系見圖3。

由圖3可見，對于兩種翅片的導(dǎo)流筒,上升區(qū)的平均氣含率隨著表觀氣速的上升而上升，表觀氣速較小時（在 0.63～1.58cm·s-1）,3翅導(dǎo)流筒的氣含率高于 4 翅的；在高氣速（1.89～2.53cm·s-1）時，4 翅導(dǎo)流筒的平均氣含率大于3翅的平均氣含率。這是因為在表觀氣速較小時，旋流的翅片越多越易使氣泡聚并而形成稍大的氣泡，使氣含率下降；而當表觀氣速較大時，氣泡濃度和上升速度大，翅片越多越易于破碎氣泡而形成更多的小氣泡[4]，導(dǎo)致氣含率增加。

2.1.3 異丙醇濃度的影響 在3翅片導(dǎo)流筒底部間隙為1.2cm的旋流反應(yīng)器中，考察了液相分別為水、異丙醇水溶液濃度分別為1%、5%和10%的4組物系，上升區(qū)平均氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律，結(jié)果見圖4。

圖4 異丙醇濃度（C）不同時上升區(qū)平均氣含率隨表觀氣速的變化Fig.4 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities at different the bulk concentration of isopropanol aqueous solution

由圖4可見，在實驗表觀氣速的范圍內(nèi)，無論濃度多少，上升區(qū)平均氣含率皆隨著表觀氣速的增加而增加。在相同的表觀氣速下，異丙醇濃度越高，上升區(qū)平均氣含率越高。這是由于水溶液中異丙醇濃度越高溶液的表面張力就越小[8]，表面張力越小則產(chǎn)生的氣泡直徑就越小，單位液體體積內(nèi)氣泡濃度就越大，所以氣含率就隨異丙醇濃度的增加而增加?？梢哉J為：在其他條件一定時，異丙醇濃度越高（C≤10%），上升區(qū)平均氣含率越高。

2.1.4 不同醇物系的影響 在3翅片導(dǎo)流筒底部間隙為1.2cm的旋流反應(yīng)器中，考察了液相為不同醇物系即1%異丙醇水溶液和1%正丁醇水溶液物系的上升區(qū)平均氣含率隨其表觀氣速的變化規(guī)律，結(jié)果見圖5。

圖5 h=1.2cm,w=3時，不同醇物系時上升區(qū)平均氣含率隨表觀氣速的變化Fig.5 Average gas holdup in riser vs.with superficial gas velocities at h=2.4cm w=3 for different alcohols aqueous solutions

由圖5可見，兩個不同醇物系，上升區(qū)平均氣含率均隨著表觀氣速的增加而增加，在上升區(qū)表觀氣速小于等于0.95cm·s-1時，兩個醇物系氣含率幾乎沒有差別，而在上升區(qū)表觀氣速超過0.95cm·s-1時，正丁醇水溶液物系的氣含率比異丙醇水溶液大，平均高出12.9%。這說明水溶液中含有少量的正丁醇，會是液相成為非聚并體系，能夠增加液相中氣體容量，強化了傳質(zhì)過程[9]，有利污水中有害組分的降解。

2.2 下降區(qū)液體速度

2.2.1 不同底部間隙和不同翅片數(shù)的影響 在異丙醇濃度（C）為1%，不同底部間隙（h）和不同導(dǎo)流筒翅片數(shù)（w）時，下降區(qū)液體表觀速度與上升區(qū)表觀氣速的變化規(guī)律見圖6。

圖6 C=1%、不同h和不同w時，下降區(qū)液體表觀速度與上升區(qū)表觀氣速的關(guān)系Fig.6 Liquid velocities in downcommer vs.with superficial gas velocities at different h and w

由圖6可見，翅片數(shù)（w）和表觀氣速一定時，底部間隙越小，表觀循環(huán)液速也越小，這是因為h越小，反應(yīng)器底部轉(zhuǎn)向處的流通面積越小，相應(yīng)流動阻力就會增大，從而使循環(huán)液速減小。從圖6還可看出，在底部間隙一定（h=2.4cm）時，導(dǎo)流筒上每組旋流片越多循環(huán)液速越小，這是由于旋流片越多，越易阻礙流體運動，使流動阻力加大，液相速度減小。從圖6還可看到，旋流片數(shù)目對液體速度的影響更大，3翅片下降區(qū)表觀液速比4翅片的平均高出28.3%。

2.2.2 不同醇物系的影響 在底部間隙為2.4cm，導(dǎo)流筒翅片為4時，考察了1%異丙醇水溶液和1%正丁醇水溶液物系下降區(qū)液體表觀速度與表觀氣速的變化規(guī)律（圖7）。

圖7 h=2.4cm,w=4時，不同醇物系的下降區(qū)表觀液速與表觀氣速的關(guān)系Fig.7 Liquid velocities in downcommer vs.with superficial gas velocities at h=2.4cm,w=4 for different alcohols aqueous solutions

隨著表觀氣速的上升，2種1%濃度醇物系的循環(huán)液速也均在上升，在Ugs≤1.58cm·s-1時，液體速度增加明顯，在Ugs＞1.58cm·s-1時液體速度增加平緩，這是由于表觀氣速較小時氣速的增加主要施加提高流體的動能，流動阻力相對較??；而在表觀氣速較大時，快速流動的氣泡液體與旋流片碰撞頻率增加，氣液相互作用和渦流加劇，流動阻力增加，使液體速度增加平緩。對于兩種醇水溶液物系，正丁醇物系明顯高于異丙醇物系，平均高13%，這是由于正丁醇物系的上升區(qū)氣含率比異丙醇大的原因（見圖5），氣含率的大小反映了反應(yīng)器中循環(huán)動力的大小。

3 結(jié)論

在底部間隙為1.2和2.4cm，表觀氣速在0.63～2.53cm·s-1范圍內(nèi)，研究得到以下結(jié)果：

（1）底部間隙越小，上升區(qū)氣含率越大，液體循環(huán)速度越??；

（2）在導(dǎo)流筒徑向外圓周上的旋流片數(shù)量對氣含率影響：氣速較小時，較少的旋流片有利于氣含率的提高，氣速較大（＞1.58cm·s-1）時，4翅片優(yōu)于 3翅片結(jié)構(gòu)；對循環(huán)液速提高而言翅片數(shù)越少越有利。

（3）異丙醇水溶液濃度越高，上升區(qū)氣含率越大。

（4）1%異丙醇水溶液和1%正丁醇水溶液物系，正丁醇物系的氣含率、循環(huán)速度均大于異丙醇物系。

［1］ 郭秋麗,趙德智,劉永民，等.氣升式環(huán)流反應(yīng)器特性參數(shù)的研究進展［J］.應(yīng)用化工,2017,46（4）:765-769.

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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

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目（972050）；中海油煉化公司資助項目（HL00FW（P）2014-0005）

邱 爽（1994-），男，遼寧阜新人，遼寧石油化工大學(xué)本科生，主要從事環(huán)流反應(yīng)器的研究。