GLS-MALR中混合特性的研究*

袁春昱，劉永民

（遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

氣升式環流反應器由于其具有結構簡單、造價低、易密封、較高的傳質傳熱性能等特點，近年來已在石油加工、生物化工、環境保護等領域得到了廣泛的應用。多室氣升式環流反應器（MALR）[1]是一種液相既能間歇操作又能連續操作的氣升式環流反應器，它特別適用于氣-液或氣-液-固相反應過程中催化劑的催化與再生這類反應,使之能連續進行，如利用FCC干氣制備乙醛的過程[2]。

目前，對環流反應器的研究多集中于其流動與傳質特性，而對其混合特性的研究則很少[3-6]。由于環流反應器內物料具有循環流動勢必存在返混，返混程度的大小對反應過程的影響多半是不利的，因此，混合特性的研究對于反應器的優化設計和放大具有重要意義。本文主要研究了氣液固三相多室環流反應器的混合特性參數（混合時間和波登斯坦準數）隨兩上升室表觀氣速及乙醇水溶液濃度的變化規律。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 軸向分散系數 在環流反應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上疊加上軸向反向擴散來加以修正，并假定該軸向擴散過程可以用費克定律加以定量描述。用軸向分散系數表征分子擴散及由湍動速度波動和渦流引起的對平推流的偏離。引入波登斯坦（Bodenstein）準數（B0）來衡量這個偏離程度，該準數定義式為：

式中 U：液體速度，m·s-1；L：液相循環一周的距離，m；EZ：反向擴散系數，m2·s-1。B0是軸向分散模型的唯一參數，其值表示軸向返混的程度。B0值愈大軸向返混程度愈小，流體流動愈接近平推流。當B0準數等于0，流體完全混合，而對于較大B0（B0＞20），可認為流體流動為平推流[7]。

1.1.2 混合時間 混合時間是衡量混合特性最常用的參數，是指示蹤劑注入反應器至達到一定混勻度的時間。混勻度的定義是：

式中 ct：示蹤劑瞬時濃度；c∞：示蹤劑完全混合后的濃度。通常可認為h=5%時即為完全混合。

1.2 實驗裝置、流程和條件

多室氣升式環流反應器（MALR）的主體結構參見圖1，該反應器用有機玻璃制成，其內徑為17cm，高為98.5cm；內置十字隔板，將反應器均分為四室，一、三室為上升室，二、四室為下降室。

圖1 多室氣升式環流反應器的主體結構圖Fig.1 Schematic construction diagram of the multi-compartment airlift reactor

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

實驗操作條件為：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，實驗過程中用到了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 結果與討論

2.1 混合時間（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的變化趨勢越平緩，反應器內返混程度變化不大。同時，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，反應器內返混程度逐漸增大，原因是兩上升室表觀氣速增大，器內循環液速增大，tm就相應地會減少。當Ug1很大時，器內的湍動程度已經很劇烈，增加Ug3對器內的湍動程度的影響不大，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為器內混合時間隨乙醇溶液濃度的變化規律。

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，所需的混合時間越長，這是因為乙醇溶液的濃度越大，上升室和下降室的氣含率差變小，液體的循環速度相應地減小，混合時間越長，反應器內返混程度就越小。

2.2 波登斯坦準數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準數逐漸減小。那是因為Ug3越大，器內湍動程度加大，返混程度也要增大，B0準數就會減小。同理，固定氣速越大，器內返混加劇，B0減小。

圖5為乙醇溶液濃度對B0準數的影響。

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準數越小。原因是乙醇溶液濃度越大，同樣的表觀氣速下，器內的湍動程度會加劇，B0減小。

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

3 結論

（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變得平緩。對于空氣-乙醇溶液-聚苯乙烯體系，乙醇溶液越高，tm會越長。

（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變得平緩。對于空氣-乙醇溶液-聚苯乙烯體系，乙醇濃度越高，B0會越小。

（3）可以用軸向分散模型模擬該反應器。

［1］劉永民，胡華，丁富新，等.多室氣升式環流反應器的流動特性研究［J］.石油學報（石油加工），1996，12（1）：73-79.

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

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

［4］劉永民，張紅，張永利.氣升式環流反應器的傳質特性［J］.石油學報（石油加工），2003，19（6）：70-74.

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

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