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气流床反应器液体停留时间研究 ctlon 气流床反应器液体停留时间研究 上海市燃气管理处李小明 摘要:文章介绍在D100xl500的有机玻璃气流床反应器中,采用脉冲示踪法测定了气流床反应器液体停留 时间分布,分析了喷嘴个数,液体流量和气体流量对液体停留时间的影响.基于实验观察和分析,建立了液 体停留时问数学模型,模型计算结果与实验吻合良好. 关键词:气流床停留时间模拟实验 复合式反应器上部为气流床下部为浆态床,气 流床通过下降管与浆态床相连,其主要特点是设有 雾化作用的喷嘴,通过循环泵把浆态床的浆料送入 喷嘴通道撞击雾化,改善了混合,强化了系统的热 质传递.相比于传统的鼓泡床,流化床,气流床反 应器具有很好的传递特性,并且能有效地减少轴向 返混,具有相间接触时间短,气液比(气固比)调节 灵活等特点,适用于燃烧,气化等一些快速反应过 程,也可广泛应用于煤制合成气(CO+H2)制油,甲 醇合成等强放热反应.复合式反应器气流床中进行 的化学反应过程,除了受到化学反应和传递规律的 作用外,还受到反应器中物料的流动类型和混合情 况的影响,也就是说物料的微观混合和宏观混合是 影响反应器性能的重要参数.停留时间分布表征了 在化学反应器内物料混合的特性,是微观混合过程 在宏观上的表现,与气流床反应器内的流型密切相 关,研究气流床反应器的停留时间分布对于反应器 的设计放大具有重要的现实意义. 1实验部分 1.1实验方法 采用脉冲进样法测定停留时间分布,示踪剂选 用常温下饱和的KC1溶液,将一定量的示踪剂迅速 注入气流床反应器的进料(自来水)中,用电导率仪 测量出口处的KC1浓度,转化为电压信号储存在电 脑中.为保证实验准确度,每个条件下都进行3次 半仃买验,j盥辽枉基计重泵弪制 41))2011年第2期上海煤气 流床反应器的液 体进料量,气体流量计计量气体进料量. 1.2实验仪器及设备 实验主要装置为复合式反应器上段的有机玻 璃气流床反应器,结构尺寸为DlOOx1500.气流床 反应器冷模装置如图1所示. 8 l一水槽2一计量泉3一气流床4一电导率仪 5一电脑6一注样口7--气体钢瓶8一流量计 图1冷模装置示意 水槽中的水由柱塞计量泵输送,通过压力喷嘴 雾化后进入气流床反应器,钢瓶中的气体通过气体 质量流量计计量后从喷嘴环系通道进入反应器.饱 和的KCI溶液从喷嘴口瞬间注入,反应器出口连接 电导率仪,测定水中的电导率,并转换为电压信号 储存在电脑中. 2实验结果讨论 2.1喷嘴个数对液体停留时间的影响 在液体流量为120L/h,气体流量为0的条件 下,考察了喷嘴个数对液体停留时间的影响,其结 果见图2.从图中明显看出,与单喷嘴,两喷嘴相 比,四喷嘴对置撞击,液体停留时间曲线分布变窄, 出峰延迟,液体平均停留时间增加.这可能是四喷 嘴撞击对称性好,液滴在撞击区域中的振荡运动时 问要比单喷嘴和两喷嘴撞击时长,导致四喷嘴撞击 时的平均停留时间增加. 图2喷嘴个数对液体停留时间的影响 2.2液体流量对液体停留时间的影响 热模条件下液体流量即是循环量,液体流量跟 气流床的液体滞留量密切相关,因此测量不同流量 下的液体停留时问对反应器的设计放大及工业生 产有重要意义.实验中考查了对喷无气体条件下, 液体流量对停留时间的影响,如图3所示.从图中 可以看出,当液体流量较小时停留时间曲线分布较 宽,峰高较矮,随着液体流量的增大,出峰时问略 有提前且峰宽变窄,峰高变高,且流量增加平均停 留时间变短,但是流量从160L/l1后继续增加,停 留时间变化较小.这是因为液体流量增加,撞击区 域液滴振荡运动减弱,速度提高,导致其停留时间 减小. 0005l0I520 无因次停留时间 Produ 2_3气体流量对液体停留时间的影响 在液体流量为120L/h对喷条件下,测定了进 气流量对液体时间的影响,见图4.下图表明相同 液体流量不同气体流量下液相停留时间分布曲线 基本相同,也就是说气体流量变化对液体停留时间 影响微弱.由于实验采用的是压力式喷嘴,液体的 雾化状况只与压力有关,气流量对液滴总体运动影 响并不大,这与文献报道相符合.从图中还可以看 出,当气体流量较大时,出峰稍微提前,平均停留 时间有所减少,这可能跟气体对液体的扰动作用有 关. 18 I5 12 街 幅O9 国06 03 O0 00051015202530 无次停留时IHj 图4气体流量对液体停留时间的影响 3停留时间分布模拟 3.1数学模型 停留时间分布反映了反应器内流动过程的混 合状况,是了解流动行为特性的手段,模型的建立 应以反应器内的流动特征为依据.对于非均相撞击 流反应器而言,多采用马尔可夫链或蒙特一卡罗模 拟等随机模型,这些模型能够较好地反映反应器内 的流动状况.本实验中从喷嘴出来的撞击流股不仅 分布