黃正梁, 帥 云, 楊 遙, 孫婧元, 王靖岱,2, 陽永榮,2

氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器的液相返混特性

黃正梁1, 帥 云1, 楊 遙1, 孫婧元1, 王靖岱1,2, 陽永榮1,2

(1. 浙江省化工高效制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027;2. 化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué)), 浙江 杭州 310027)

在氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中，采用電解質(zhì)脈沖示蹤法對液相停留時(shí)間分布進(jìn)行測量，考察不同操作條件以及液相進(jìn)料位置對液相返混的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著射流速度j或表觀氣速g的增加，液相返混程度先減小后增大；當(dāng)氣速較低且j較大時(shí)，底部進(jìn)料的液相返混程度大于噴嘴進(jìn)料的液相返混程度；而在氣速較低且j較小以及氣速較高條件下，底部進(jìn)料的液相返混程度小于噴嘴進(jìn)料的液相返混程度。研究結(jié)果可為氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中液相進(jìn)料位置的選取及液相返混程度的調(diào)控提供指導(dǎo)。

外環(huán)流反應(yīng)器；液相返混；進(jìn)料位置；停留時(shí)間分布；動態(tài)溶氧法

1 引 言

氣液噴射式環(huán)流反應(yīng)器是在鼓泡塔基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種氣液兩相反應(yīng)器，具有氣液混合及傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于加氫、磺化、氧化、氯化等化工生產(chǎn)過程[1-3]。噴射式環(huán)流反應(yīng)器根據(jù)物料的流動方向不同，有氣液并流、逆流和混流等不同的操作模式。目前，研究報(bào)道主要集中于氣液并流噴射式環(huán)流反應(yīng)器[4-6]，關(guān)于氣液逆流噴射式環(huán)流反應(yīng)器(也稱射流鼓泡反應(yīng)器)的研究相對較少[7-15]?，F(xiàn)有研究主要涉及氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)液相混合[7-9]、氣液傳質(zhì)特性[10-11]及氣泡動力學(xué)[12-15]，而對于氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中液相返混特性的認(rèn)識仍然不清。液相返混特性是氣液反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大需要考慮的重要參數(shù)，直接關(guān)系到反應(yīng)器內(nèi)混合和相間傳熱、傳質(zhì)速率，進(jìn)而影響反應(yīng)速率及選擇性。因此，深入研究氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中液相返混特性，對于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及放大具有重要意義。氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器本質(zhì)上是在鼓泡塔上方引入一股垂直向下的浸沒式液體射流，利用高速液體射流對氣泡的剪切破碎作用，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相的高效混合。因此，鼓泡塔中液相返混特性的研究[16-19]對氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器具有重要的借鑒意義。在鼓泡塔中，氣泡驅(qū)動液體逆向流動，在塔內(nèi)形成大尺度的循環(huán)流動結(jié)構(gòu)，使得液相返混嚴(yán)重[20]。此外，由于徑向不均勻的流速分布，使得同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料在不同徑向位置上具有不同的流速，物料在反應(yīng)器內(nèi)具有不同的停留時(shí)間，最終引起液相返混[21]。由于反應(yīng)器中速度分布的不均勻性，會使得新鮮液體從不同位置注入時(shí)存在不同的停留時(shí)間分布，相應(yīng)的液相返混程度也會發(fā)生改變，因此液體進(jìn)料位置也是影響液相返混的一個(gè)重要因素。在氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中，由于射流與氣泡的協(xié)同作用，使得不同操作條件下反應(yīng)器內(nèi)液體速度分布以及液體的循環(huán)流動差別較大[9]。本研究在冷模實(shí)驗(yàn)裝置中，采用電解質(zhì)脈沖示蹤法測量液體停留時(shí)間分布，研究不同操作條件下的液相返混特性，并對比不同液相進(jìn)料位置對液相返混的影響，期望為氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

圖1(a)所示為氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，反應(yīng)器內(nèi)裝有氣體分布環(huán)(圖1(b))、液體進(jìn)料管、液體噴嘴以及擋板(避免噴射液體直接進(jìn)入循環(huán)管路)。液體進(jìn)料管內(nèi)徑為14 mm，插入反應(yīng)器內(nèi)的長度為380 mm，在其兩側(cè)均勻布有8個(gè)直徑為2 mm的進(jìn)液孔，進(jìn)液孔的方向與外環(huán)流裝置截面平行。液體噴嘴采用縮徑式圓形噴嘴[11]，其入口直徑為30 mm，噴嘴的收縮角為44°，噴嘴出口直徑為18 mm，圓柱段長度與噴嘴出口直徑的比值為2。實(shí)驗(yàn)過程中以飽和KCl溶液為示蹤劑，采用脈沖示蹤法測量排液口處液體電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化，以得到示蹤劑在外環(huán)流裝置內(nèi)的停留時(shí)間分布，進(jìn)而根據(jù)停留時(shí)間分布計(jì)算液相返混程度。

圖1 氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1. gas-liquid countercurrent jet external loop reactor cylinder 2. baffle 3. gas distributor 4. liquid feed tube 5. liquid nozzle

圖2 冷模實(shí)驗(yàn)流程圖

1. air compressor 2. buffer tank 3. gas valve 4. gas rotor flow meter 5. gas-liquid countercurrent jet external loop reactor 6. Pump 7. liquid valve 8. liquid rotor flow meter 9. liquid outlet 10. conductivity electrode 11. conductivity instrument 12. computer

冷模實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，以空氣和水為模擬介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示，實(shí)驗(yàn)開始之前，向反應(yīng)器中注水，直至直筒段液位高度為650 mm。從外環(huán)流裝置底部排出的液體，在循環(huán)泵的泵送作用下經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后通過噴嘴噴射進(jìn)入外環(huán)流裝置。新鮮液體進(jìn)料的流量為0.6 m3×h-1，通過2種不同的方式連續(xù)進(jìn)料，一種通過外循環(huán)回路連續(xù)進(jìn)料，經(jīng)過液體噴嘴進(jìn)入外環(huán)流裝置，稱為噴嘴進(jìn)料；另一種則是新鮮液體通過液體進(jìn)料管連續(xù)進(jìn)料，稱為底部進(jìn)料。實(shí)驗(yàn)過程中，通入外環(huán)流裝置內(nèi)的氣體流量的變化范圍為1～8 m3×h-1，以外環(huán)流裝置截面積計(jì)算，表觀氣速g的變化范圍為0.002 45～0.019 6 m×s-1，外循環(huán)液體流量變化范圍為1～15.5 m3×h-1(相對應(yīng)的噴嘴出口射流速度j為1.09～16.9 m×s-1)。

2.2 液相返混程度

與液相返混程度密切相關(guān)：越大，返混程度越小。

3 結(jié)果與討論

3.1 操作條件對液相返混的影響

圖3(a)為噴嘴進(jìn)料時(shí)，不同g下液相返混程度隨噴嘴出口射流速度j而變化，其中返混程度采用多釜串聯(lián)模型參數(shù)來表示。從圖中可以看出，在g一定的條件下，隨著j的增大，液相返混程度先減小后增大。圖3(b)為不同j下液相返混程度隨g的變化，由圖可知，當(dāng)j一定時(shí)，返混程度隨g的增大先減小后增大。

圖3 操作條件對液相返混的影響(噴嘴進(jìn)料)

前期研究結(jié)果[9]表明，氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中液相流型受氣泡和液體射流兩方面因素的影響，存在鼓泡控制、射流控制、射流與鼓泡協(xié)同控制等3種典型的流型。在鼓泡控制區(qū)內(nèi)，氣泡向上運(yùn)動時(shí)攜帶液體，會誘發(fā)中心區(qū)域液體向上、壁面附近液體向下的循環(huán)流動(文中統(tǒng)稱為循環(huán)流動結(jié)構(gòu)I)，從而造成嚴(yán)重的液相返混，且隨著g增加，氣泡尺寸變大，鼓泡引起的液相循環(huán)運(yùn)動增強(qiáng)，使得返混程度增大。另一方面，在射流與鼓泡協(xié)同作用區(qū)，會誘發(fā)中心和壁面附近液體向下流動、兩者之間液體向上流動的循環(huán)流動(文中統(tǒng)稱為循環(huán)流動結(jié)構(gòu)II)，從而導(dǎo)致液相返混，且隨著j增加，射流作用范圍增大，循環(huán)流動結(jié)構(gòu)II的作用區(qū)域增大，液相返混程度增強(qiáng)。

在g一定且j較小時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)流動結(jié)構(gòu)主要受鼓泡控制，此時(shí)鼓泡所引起的液相返混程度較大；隨著j度增大，氣泡逐漸向四周分散，且氣泡尺寸變小，氣泡在反應(yīng)器內(nèi)均勻分散，液速徑向分布變得相對均勻，液相循環(huán)流動結(jié)構(gòu)I的作用區(qū)域減小，使得鼓泡導(dǎo)致的液相返混程度減?。划?dāng)j超過某一臨界值時(shí)，由于反應(yīng)器內(nèi)氣泡已完全分散，此時(shí)液體流動結(jié)構(gòu)主要受射流控制，此后隨著j的繼續(xù)增加，反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動結(jié)構(gòu)Ⅱ的作用區(qū)域逐漸擴(kuò)大，液速分布變得更不均勻，液相返混程度也相應(yīng)增大。因此隨著j的增大，氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中液相返混程度先減小后增大。

在j一定時(shí)，隨著g的增大，循環(huán)流動結(jié)構(gòu)Ⅱ的作用區(qū)逐漸減小，液體徑向速度分布變得相對均勻，使得射流引起的液相返混程度減小；當(dāng)g超過某一臨界值時(shí)，隨著表觀氣速的繼續(xù)增加，鼓泡引起的循環(huán)流動結(jié)構(gòu)I逐漸增大，液速分布變得越來越不均勻，液相返混程度相應(yīng)增大。因此隨著g增大，氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中液相返混程度先減小后增大。

3.2 進(jìn)料方式對液相返混的影響

圖4為不同g下液相噴嘴進(jìn)料和底部進(jìn)料這2種進(jìn)料方式對應(yīng)的液相返混程度隨j的變化，從圖中可以看出，在氣速不超過0.009 8 m×s-1的條件下，當(dāng)j<11 m×s-1時(shí)，底部進(jìn)料的返混程度小于噴嘴進(jìn)料，當(dāng)j>11 m×s-1時(shí)，底部進(jìn)料的返混程度大于噴嘴進(jìn)料。在氣速大于0.009 8 m×s-1條件下，底部進(jìn)料的返混程度都小于噴嘴進(jìn)料。

圖4 不同氣速下進(jìn)料方式對液相返混的影響

在氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器中，當(dāng)新鮮液體從噴嘴進(jìn)入時(shí)，如圖5(a)所示，一部分新鮮液體F1,nozzle會隨著射流向下流動，最終到達(dá)反應(yīng)器內(nèi)各個(gè)位置，另一部分液體F2,nozzle會與周圍液體發(fā)生摻混，在上升氣泡的攜帶作用下直接從溢流口排出反應(yīng)器，從而出現(xiàn)短路，這會使得液相返混加劇。當(dāng)j增加時(shí)，隨著射流向下流動的新鮮液體F1,nozzle的量增多，則發(fā)生短路的新鮮液體F2,nozzle的量減少；而隨著氣速增加，氣泡攜帶的新鮮液體F2,nozzle的量增加，則發(fā)生短路的新鮮液體量增加。如圖5(b)所示，從底部進(jìn)入的一部分新鮮液體F1,bottom會在氣泡的攜帶下從反應(yīng)器底部向上運(yùn)動，直至從溢流口排出反應(yīng)器，另一部分新鮮液體F2,bottom會在循環(huán)泵的抽吸作用下，從反應(yīng)器底部排出，經(jīng)過外循環(huán)管路從反應(yīng)器上方的噴嘴噴射進(jìn)入反應(yīng)器，如前所述，一部分新鮮液體F3,bottom會隨著射流向下流動，同時(shí)又有部分新鮮液體F4,bottom發(fā)生短路，從而造成液相返混。當(dāng)j增加時(shí)，從反應(yīng)器底部排出的新鮮液體F2,bottom的量增加，最終發(fā)生短路的新鮮液體F4,bottom的量也會相應(yīng)增加；而隨著氣速增加，氣泡攜帶的新鮮液體量增大，從反應(yīng)器底部排出的新鮮液體F2,bottom的量減小，則發(fā)生短路的新鮮液體F4,bottom的量也減小。

圖5 新鮮液體進(jìn)料流動跡線示意圖

在低氣速條件下，當(dāng)j較小時(shí)，從噴嘴進(jìn)料的新鮮液體中能夠到達(dá)反應(yīng)器底部F1,nozzle的量較少，而發(fā)生短路的F2,nozzle較多；底部進(jìn)料時(shí)向上運(yùn)動的新鮮液體F1,bottom較多，使得發(fā)生短路的新鮮液體F4,bottom的量小于F2,nozzle，如圖6(a)所示，因此底部進(jìn)料時(shí)的液相返混程度低于噴嘴進(jìn)料；當(dāng)j較大時(shí)，噴嘴進(jìn)料時(shí)發(fā)生短路的F2,nozzle較少，而底部進(jìn)料時(shí)，由于氣泡上升速度較小，氣泡對新鮮液體攜帶作用較弱，大部分從底部進(jìn)料的新鮮液體來不及被氣泡攜帶向上運(yùn)動，就在液體射流的作用下從反應(yīng)器底部排出再經(jīng)過外循環(huán)回路通過噴嘴進(jìn)入反應(yīng)器，此時(shí)發(fā)生短路的新鮮液體F4,bottom的量大于F2,nozzle，如圖6(b)所示，因此底部進(jìn)料的液相返混程度大于噴嘴進(jìn)料。

圖6 不同操作條件下液體進(jìn)料方式對停留時(shí)間分布的影響

在氣速較高的條件下，由于氣泡上升速度較快，對底部進(jìn)料的新鮮液體攜帶作用也較強(qiáng)，大部分底部進(jìn)料的新鮮液體能很好地被氣泡攜帶向上運(yùn)動，發(fā)生短路的新鮮進(jìn)料液體量減少，與此同時(shí)，從噴嘴進(jìn)料后發(fā)生短路的新鮮液體的量增多，使得F4,bottom的量小于F2,nozzle的量，如圖6(c)、(d)所示，導(dǎo)致底部進(jìn)料的液相返混程度小于噴嘴進(jìn)料。

4 結(jié) 論

氣液逆流噴射式外環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)液相返混程度隨著操作條件變化顯著。當(dāng)g恒定時(shí)，隨著液體j的增加，液相返混程度先減小后增大；在液體j一定條件下，返混程度隨g的增加先減小后增大。此外，在氣速較低且j較大時(shí)，底部進(jìn)料的液相返混程度大于噴嘴進(jìn)料，而在氣速較高以及氣速較低且j較小時(shí)，底部進(jìn)料的液相返混程度小于噴嘴進(jìn)料。

符號說明：

E(t)?停留時(shí)間分布密度函數(shù)，s-1t?時(shí)間，s k(t)?液體瞬時(shí)電導(dǎo)率，S×m-1?液相平均停留時(shí)間，s k’(t)?液體瞬時(shí)無因次電導(dǎo)率ug?表觀氣速，m×s-1 kmin?未注示蹤劑時(shí)液體電導(dǎo)率，S×m-1uj?射流速度，m×s-1 kmax?液體最大電導(dǎo)率，S×m-1?方差，s2 N?多釜串聯(lián)模型參數(shù)?無因次方差

[1] LEHTONEN J, KAPLIN J, SALMI T,. Modelling and scale-up of a loop reactor for hydrogenation processes [J]. Chemical Engineering Science, 1999, 54(13): 2793-2798.

[2] FLEYS M, SHAN W, SIMON Y,. Detailed kinetic study of the partial oxidation of methane over La2O3catalyst part 1: Experimental results [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(4): 1063-1068.

[3] LIU Y, ZHOU Z, YANG G,. Kinetics study of direct hydration of dihydromyrcene in a jet reactor [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(7): 3170-3175.

[4] DESHPANDE S, SATHE M J, JOSHI J. Evaluation of local turbulent energy dissipation rate using PIV in jet loop reactor [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(10): 5046-5057.

[5] FARIZOGLU B, KESKINLER B. Influence of draft tube cross-sectional geometry onLa and epsilon in jet loop bioreactors (JLB) [J]. Chemical Engineering Journal, 2007, 133(1): 293-299.

[6] GAO Y, HONG D, LU H,. Gas holdup and liquid velocity distributions in the up flow jet-loop reactor [J]. Chemical Engineering Research and Design, 2018, 36: 94-104.

[7] AMIRI T, MOGHADDAS J, MOGHADDAS Y. A jet mixing study in two phase gas-liquid systems [J]. Chemical Engineering Research and Design, 2011, 89(3A): 352-366.

[8] 郭天琪, 黃正梁, 王靖岱, 等. 射流鼓泡反應(yīng)器的混合特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(11): 4438-4445.

GUO T Q, HUANG Z L, WANG J D,. Mixing characteristics in jet bubbling reactor [J]. CIESC Journal, 2015, 66(11): 4438-4445.

[9] HUANG Z L, WANG H, SHUAI Y,. Hydrodynamics in a jet bubbling reactor: Experimental research and mathematical modeling [J]. AIChE Journal, 2018, 64(5): 1814-1827.

[10] 陳迎. 射流鼓泡反應(yīng)器中液相體積傳質(zhì)系數(shù)的測定[J]. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝, 2017, 33(3): 221-226.

CHEN Y. Mass transfer coefficient study of jet bubbling reactor [J]. Chemical Reaction Engineering and Technology, 2017, 33(3): 221-226.

[11] 黃正梁, 帥云, 楊遙, 等. 噴嘴結(jié)構(gòu)對射流鼓泡反應(yīng)器混合和傳質(zhì)性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 2018, 69(11): 4648-4654.

HUANG Z L, SHUAI Y, YANG Y,. Effect of nozzle structure on the mixing and mass transfer characteristics in a jet bubbling reactor [J]. CIESC Journal, 2018, 69(11): 4648-4654.

[12] SHUAI Y, GUO X, WANG H,. Characterization of the bubble swarm trajectory in a jet bubbling reactor [J]. AIChE Journal, 2019, 65(5): e16565.

[13] 黃正梁, 郭曉云, 帥云, 等. 射流鼓泡反應(yīng)器內(nèi)氣液分散狀態(tài)檢測[J]. 化工學(xué)報(bào), 2019,70(10): 3906-3913.

HUANG Z L, GUO X Y, SHUAI Y,. Detection of gas-liquid dispersion in jet bubbling reactor [J]. CIESC Journal, 2019,70(10): 3906-3913.

[14] SHUAI Y, WANG X, HUAGN Z,. Bubble size distribution and rise velocity in a jet bubbling reactor [J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58(41): 19271-19279.

[15] SHUAI Y, WANG X, HUAGN Z,. Experimental measurement of bubble breakup in a jet bubbling reactor [J]. AIChE Journal, 2020, 67(1): e17062.

[16] DEGALEESAN S, DUDUKOVIC M. Liquid backmixing in bubble columns and the axial dispersion coefficient [J]. AIChE Journal, 1998, 44(11): 2369-2378.

[17] MOUSTIRI S, HEBRARD G, THAKRE S,. A unified correlation for predicting liquid axial dispersion coefficient in bubble columns [J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56(3): 1041-1047.

[18] BURHAN S. Liquid-phase backmixing in bubble column [J]. Tikrit Journal of Engineering Science, 2010, 17(4): 10-20.

[19] ESSADKI A, GOURICH B, VIAL C,. Residence time distribution measurement in an external-loop airlift reactor: Study of the hydrodynamics of the liquid circulation induced by the hydrogen bubbles [J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(14): 3125-3132.

[20] KUMAR S, DEVANATHAN N, MOSLEMIAN D,. Effect of scale on liquid recirculation in bubble columns [J]. Chemical Engineering Science, 1994, 49: 5637-5652.

[21] WIEMANN D, MEWES D. Prediction of backmixing and mass transfer in bubble columns using a multifluid model [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005, 44(14): 4959-4967.

Characteristics of liquid backmixing in a gas-liquid countercurrent jet external loop reactor

HUANG Zheng-liang1, SHUAI Yun1, YANG Yao1, SUN Jing-yuan1,WANG Jing-dai1,2, YANG Yong-rong1,2

(1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Advance Chemical Engineering Manufacture Technology, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. State Key Laboratory of Chemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The liquid residence time distribution in a gas-liquid countercurrent-flow jet external loop reactor (C-JLR) was measured using the electrolyte pulse tracing method, and the effects of operating conditions and liquid feeding positions on the liquid backmixing were investigated. The results show that with an increase of the jet velocity (j) or the superficial gas velocity (g), the degree of liquid backmixing first decreases and then increases. The liquid backmixing degree of feeding from nozzle is smaller than that of feeding from bottom at a lowgand largej, while under other operating conditions, the liquid backmixing degree of feeding from nozzle is larger than that of feeding from bottom. The research results can provide guidance for the selection of liquid feeding positions and the regulation of liquid backmixing in a C-JLR.

external loop reactor; liquid backmixing; feeding position; residence time distribution; dynamic dissolved oxygen method

1003-9015(2021)05-0814-07

TQ 202

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2021.05.007

2020-11-14；

2021-01-18。

國家自然科學(xué)基金(22078285)。

黃正梁(1982-)，男，湖北漢川人，浙江大學(xué)副教授，博士。通信聯(lián)系人：楊遙，E-mail：yao_yang@zju.edu.cn