多相氣升式環流反應器局部相含率和環流速度

李紅星

（中國電子工程設計院，北京100101）

目前，氣升式環流反應器（air lift reactor，ALR）已在生化工程、環境工程等方面廣泛應用，文獻中對其流動特性也有大量研究和報道，包括氣／液兩相和氣／液／固三相體系［1－4］以及對固體和表面活性物質作用的考察［5－7］等。對ALR這類多相接觸設備而言，表征其流動特性的參數主要是床中相含率和循環速度。但是在先前的研究中，對相含率的研究多是集中在全床平均氣含率或者導流筒內、外平均氣含率［1－4，8］的研究，對于氣含率的軸／徑向分布特性報道不多［9－10］，對固相在床層中分布特性研究也很少［10－11］；有關循環速度也多是報道平均環流速度［1，2，4，9］，對局部漿（液）相循環 速 度在 床 層 中的分布特性研究不多［10，12］。本工作在較高固相濃度下，研究固含率及液體物性等對氣升式環流反應器中氣含率軸向分布、漿液循環速度分布以及固含率軸、徑向分布等流動參數的影響。

1 實驗裝置和測量方法

實驗所用的環流反應器裝置為φ0.2×2.5m有機玻璃反應器，如圖1所示。導流筒為φ0.140×0.005m的有機玻璃，高度1.5m，下沿距分布器50mm；分布器為中心進氣式多孔板結構，小孔呈正三角形排布，孔徑及開孔數目為φ3×36，分布板開孔率為0.81%。實驗在常溫、常壓下進行，兩相體系為空氣－水及乙醇水溶液（體積分數分別為0.03%、0.10%、0.50%），后者的表面張力數據見表1；三相體系空氣－水－玻璃珠，玻璃珠密度為2400kg／m3，平均粒徑200.9μm；實驗表觀氣速范圍為0.027～0.135m／s，漿相中固體平均裝填量分別為10%、20%和30%；液面靜止高度均為1.5m。

表1 水溶液的表面張力

實驗中，利用差壓法［13］測取了床層截面平均氣含率，在反應器軸向位置上安裝了3個差壓傳感器，分 別 測 量0.21～0.41m、0.615～0.815m、1.015～1.215m間3個床層微分段上的差壓，借以考察軸向上氣含率的不均勻性。差壓信號經A／D轉換由計算機采集，采樣頻率為100Hz。采用自制背靠背Pitot管［14］測取床層局部漿（液）速。采用直接放料取樣方法［15］測定局部漿相固含率。測量數據重復性檢驗表明，本文差壓法測氣含率、背靠背Pitot管測漿速以及取樣法測固含率的平均相對誤差分別為5.9%，4.7%和6.2%，故測量誤差在可以接受的范圍。

圖1 實驗流程

2 結果與討論

2.1 截面平均氣含率軸向分布

實驗中由3個壓差測量得到導流筒內、對應軸向位置0.310m、0.715m和1.115m三處的截面平均氣含率。首先，圖2（a）示出氣液兩相體系截面平均氣含率的軸向分布。可見，在表觀氣速較高時，局部平均氣含率在軸向高度0.715m處出現了中間極值，并非如鼓泡床中那樣隨軸向位置單調增大；楊海光等［9］也報道過類似的實驗結果。圖2（b）示出體系加入乙醇后的結果，可見與前述不同，此時氣含率軸向分布變得相對比較平緩。對此可能的解釋為：表觀氣速的增大促進了氣泡的破裂，使得床層內某一位置處的小氣泡增多；在接近導流筒頂部位置，氣泡分離加快，氣含率偏低；而乙醇的加入改變了體系界面性質和氣泡的分散狀態，故氣含率分布呈現不同的趨勢。

其次，實驗測定了空氣－水－玻璃珠三相體系導流筒內截面平均氣含率的軸向分布，如圖3所示。由圖3可以看出：在較高固體濃度（圖3（a）中對應30%）和較低固體濃度（圖3（b）中對應10%）下，軸向分布趨勢基本相同。在低表觀氣速時，氣含率軸向分布趨勢基本和兩相體系相同；而在較高表觀氣速時，氣含率軸向分布不存在極值，整體分布趨于均勻。

2.2 漿（液）相局部循環速度的徑向分布

對氣－液兩相體系，考察了乙醇加入量對液相循環速度徑向分布的影響，如圖4所示。可見，隨著乙醇的加入，液速值及其分布梯度略有降低，但其影響很小。乙醇的加入使得體系表面張力有一定降低，從而促進了氣泡的破碎，小氣泡增多，但對液相整體循環運動的影響并不明顯。

圖4 氣液體系乙醇添加量對軸向循環液速的影響

王國勝等［16］在間歇床研究氣－液兩相體系及三相體系時，加入乙醇得出的結論為循環漿速增大。Tobajas等［17］應用能量方程理論對其進行了解釋，體系黏度增加，床層內由于液體循環所消耗的的能量增加，使得液體速度降低。Freitas等［6］在環流漿態床內加入乙醇調節液相的表面張力，發現表面張力降低，對液體速度影響很小。

圖5示出了固體體積分數30%時，不同表觀氣速下循環漿速的徑向分布。可以看出：漿速隨表觀氣速增加而增加，在較高表觀氣速時，漿速增勢減緩；在導流筒內，中心處液速最高，壁處最低；而在下降管內，近導流筒壁處漿速最低。這是由于表觀氣速增大使得反應器中心區域的氣流上升速度加快，漿相跟隨氣泡尾渦上升的速度隨之變快，使得床層中整體回流加強，速度分布徑向梯度增大。這與常規的氣／液鼓泡床中實驗結果［19］以及張同旺等的實驗結論［10］一致。

圖5 不同表觀氣速下的軸向漿速徑向分布

2.3 固含率軸、徑向分布

圖6示出了軸向高度為H＝1.215m處導流筒內漿相固含率的徑向分布。可以看出，在導流筒內，固含率在徑向上呈拋物分布，靠近導流筒壁區域（r／R＝0.5～0.65）固含率較高；在環隙區域，靠近反應器外壁的固含率較高。總體上，表觀氣速增大使得導流筒內固含率降低，而環隙區域固含率增大。

圖7示出了固體體積分數30%下，導流筒內截面平均固含率［圖7（a）］和環隙外壁局部固含率［圖7（b）］的軸向分布。可見，導流筒內平均固含率隨床高變化不大，這與鼓泡床［20］中固含率隨床高的增加而減小的結論不同；環隙中的氣泡流動較小，對顆粒的夾帶能力大大減弱，湍動程度也較小，環隙中的固含率在軸向上比較均勻。文獻［18］得出結論，固含率一般隨床層的增高而增大；張濂等［21］在連續噴動床中發現氣－液－固三相系統固含率隨表觀氣速和表觀漿速的增大而逐漸趨于均勻。

圖8給出了不同固體體積分數下加入乙醇對截面平均固含率軸向分布［圖8（a）］以及局部固含率徑向分布［圖8（b）］的影響。不難看出，在同樣固體體積分數（30%）下，加入乙醇后對導流筒內固含率的軸、徑向分布影響不大。這與前述加入乙醇對漿（液）循環的效應是相容的，也即，雖然乙醇的加入使導流筒內的小氣泡增多、氣含率增大，但對漿（液）循環影響不大，故對固含率分布也沒有大的影響。

3 結 論

在φ200×2500mm氣升式環流反應器內，研究了空氣－水兩相及空氣－水－玻璃珠三相體系中整體和局部氣、固相含率以及漿（液）相環流分布隨操作條件及液相物性的變化規律。有以下結論。

（1）兩相體系導流筒中截面平均氣含率軸向分布有極值，而固體和乙醇的加入使得氣含率軸向分布平緩。

（2）兩相體系循環液速在導流筒中徑向呈拋物分布，在環隙分布較均勻，加入固體和乙醇后對循環速度影響不大。

（3）三相體系中導流筒內固含率沿軸向升高呈增大趨勢，環隙內軸向分布均勻；導流筒內、外固含率徑向分布均不均勻，以近壁處為大；加入乙醇后對固含率分布影響不大。

（4）對ALR中局部流動特性的考察所得結果，對進一步揭示這類反應器的局部傳遞特性以及提供理論模型（如計算流體力學模型）的實證數據有意義，也可供這類反應器開發和設計參考。

符號說明

H——軸向距離，m

R——反應器半徑，m

r——徑向距離，m

U——表觀速度，m／s

u——線性速度，m／s

ε——相含率

φ——直徑

下角標

av——平均

g——氣相

l——液相

s——固相

sl——漿相

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