旋流氣升式環流反應器的氣含率軸向分布

李志敏，劉永民，謝嫘祖，馬嘉楠

（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（ALR）具有無機械傳動部件、結構簡單、低造價、低能耗、易于工業放大等優點，現已廣泛應用于化學工業、環境保護和能源化工等領域[1]。ALR 有內環流與外環流兩種，而內環流又分為環隙氣升式與中心氣升式兩種。環隙氣升式環流反應器（AALR）的上升區即主反應區在導流筒的外側，易于與環境換熱，因此特別適用于像重油、渣油加氫裂化一類的強放熱反應過程。

隨著石油資源的日趨減少，重油、渣油的深度加工成為現代化煉廠面臨的主要問題。在重油加氫裂化中，常使用低濃度、高分散性水溶性或油溶性催化劑。反應過程中，重油、渣油裂化生成輕烴、輕油的同時會有黏稠的焦粒生成[2]。若這些混合流體在反應器中的湍動與混合效果不佳，其中的焦粒就易于同高活性催化劑一起聚結成塊，沉降堆積在反應器下部，降低反應效率，并對裝置長時間的穩定運行造成危害。為改善傳統ALR 上升區的流動、混合效果，本文提出了旋流氣升式環流反應器（HALR）。

由于重油加氫反應是在高壓反應器中進行，較大的高徑比有利于高壓反應器的放大設計，而反應器高度的增加，使得在軸向方向上的氣含率變得復雜。為此本文在新開發的高徑比為24 的HALR 中，采用空氣-水兩相與空氣-水-K 樹脂三相物系，考察該反應器的總體平均氣含率與表觀氣速、導流筒底邊與反應器底板間距離（以下簡稱為“底部間隙”）的關系并與AALR 進行對比；考察上升區氣含率與軸向高度、底部間隙和固體裝載量的變化規律，并獲得氣含率與軸向高度、表觀氣速的預測關系式，為重油加氫反應器的放大設計提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 旋流氣升式環流反應器與實驗流程

旋流氣升式環流反應器（HALR）由外筒體（φ85mm×5mm×1800mm 有機玻璃管）、內部旋流導流筒（PVC 材料）和底部氣體分布器等構成[圖1(a)]。旋流導流筒的局部實物圖見圖1(b)（其背景為水泥預制板），將旋流導流筒外壁沿軸向剪開并展開的平面圖見圖1(c)，該旋流導流筒是在導流管（φ 32mm×1mm×1500mm）上每隔10cm 粘接一對旋流片（a-a'，b-b' …），共安裝12 對旋流片，旋流片結構尺寸見圖1(d)的陰影部分，旋流片與軸向夾角為45°，5 對旋流片斷續上升繞環隙一周[圖1(c)]； 用3 個支腳[圖1(a)、(e)]將旋流導流筒在底部支撐固定，通過調換支腳來調節底部間隙δ；2 個微孔氣體分布器安裝在環隙區底部成180°角；在反應器外壁不同高度處有測壓管接口6 個，固體取樣口 5 個。

氣體由空氣壓縮機經減壓閥和空氣轉子流量計經由兩個氣體分布器進入反應器的環隙區[圖1(a)]，環隙區內的液體在氣體提升下并在旋流片控制下旋轉上升，在上部氣體離開反應器，液體經導流管內下降，形成循環流動。氣體提升液體旋流運動細節示于圖1(c)：從一個分布器出來的氣泡在環隙區上升遇到旋流片a，從此片的下面以斜向上45°角的方向上升，離開a 片后再垂直上升遇到旋流片b，并以同樣的方式做斜向上運動，這樣依次經過旋流片c、d、e，形成繞導流筒旋轉上升的運動；從另一個分布器出來的氣泡以同樣的旋轉方向依次經過a'、b'、…、e'繞導流筒旋轉上升，故將此反應器命名為旋流氣升式環流反應器（helical-flow airlift loop reactor，HALR）。氣液流體的這種階梯旋轉上升流動，使氣泡和液體在上升過程中不斷與旋流片碰撞并改變運動方向，氣液界面不斷更新，有利于氣液間的湍動、混合、傳質與反應。

1.2 實驗條件及方法

實驗在常溫常壓下進行，以空氣-水為兩相物系、空氣-水-K 樹脂（密度為1.0316g/cm3）為三相物系，靜液高為156cm。實驗中K 樹脂的體積分數（V）分別為1.0%、2.0%和4.0%，環隙區內表觀氣速由氣體轉子流量計測量的氣體流量除以環隙區橫截面積而得，其范圍為0.47～2.31cm/s；底部間隙δ[圖1(a)、(e)]分別為12mm、18mm 和24mm。

反應器的總體平均氣含率（εT）采用體積膨脹法測量，見式（1）。

式中，hT為氣液充氣總高度，h0為靜液高。

上升區局部氣含率（εg）的測量：在氣-液-固三相物系中，用直接取樣法測量液固兩相中的相對固含率sε′，見式（2）。

圖1 旋流氣升式環流反應器(HALR)的結構與實驗流程圖（單位：mm）

式中，Vsl為取出液固混合物的體積；ms為Vsl中固體顆粒的質量。用壓差計測量反應器軸向高度不同位置上的局部壓差，并與液相中的相對固含率聯立求解，得到三相物系中局部氣含率（εg）計算式[3]，如式（3）。

式中，ρc、ρl、ρs分別為指示液、水和固體顆粒的密度；Δh 為壓差計讀數；Δz 為該壓差計兩個測壓口在反應器上的軸向距離。

在氣液兩相物系中，ε′s=0，所以由式（3）則可得到兩相物系局部氣含率的計算式[4]。

2 結果與討論

2.1 整體平均氣含率

對于空氣-水兩相物系，研究了表觀氣速、底部間隙及導流筒結構對反應器整體氣含率的影響，結果見圖2。

圖2 兩種反應器不同底部間隙（δ）時整體氣含率（εT）與表觀氣速（Ug）的關系

由圖2 可見，4 種結構的ALR 的整體平均氣含率均隨著表觀氣速的增大而增大，這與大多數的研 究結果是一致的[4]。但對于相同底部間隙的AALR和HALR 而言，在表觀氣速<1.69cm/s 時，AALR處于均勻鼓泡流，而對于HALR，在氣泡上升中遇到旋流片而部分產生聚并，致使其氣含率小于相同氣速時AALR 的氣含率，但相差較小；在表觀氣 速>1.69cm/s 時，AALR 處于非均勻鼓泡流，氣泡在上升中明顯產生聚并形成大氣泡，氣含率幾乎不增加，而在HALR 中，氣泡上升中聚并與破碎同時發生，氣速越大，氣泡被破碎的越明顯，小氣泡增多，使其氣含率高于AALR，氣速越大，相差也越大。因此提出的HALR在氣速較大時漩渦流動劇烈會對氣泡產生破碎作用，使氣含率升高，加大反應器的操作彈性，有利于產能的提高。

由圖2 可見，在表觀氣速<1.69cm/s 時，對于3個底部間隙的HALR，整體氣含率差別不大；這是由于在低氣速時，底部間隙所引起的流動阻力沒有旋流片的阻力大，因此氣泡上升速度由旋流片的特征及數量決定，氣含率不受底部間隙的影響。而在表觀氣速>1.69cm/s 后，旋流片對氣泡群產生破碎作用，隨著底部間隙的減小，流動阻力增加，氣泡停留時間增加，使平均氣含率也逐漸增加，氣速越大，差別也越大。

2.2 氣液兩相物系上升區氣含率

對于空氣-水兩相物系，在底部間隙為12mm 時的HALR 中，固定7 個不同的表觀氣速，研究了上升區氣含率與上升區軸向高度的關系，結果如圖3。

圖3 不同表觀氣速（Ug）時上升區氣含率（εg）與軸向高度（h）的關系

由圖3 可見，當表觀氣速一定時，上升區氣含率隨著軸向高度的增加，總體上是逐漸增加的，在表觀氣速較低時，增加的幅度比較小，氣含率最大值與最小值的差僅有0.013。隨著固定氣速的增加，氣含率受軸向高度的影響越敏感，在較高氣速（2.31cm/s）時，氣含率最大值與最小值的差達到0.058。這是因為當表觀氣速較小時，氣泡濃度很低，旋流片對氣泡的聚并作用較小，氣含率變化較小；隨著氣速的加大，氣泡密度加大，在旋流片作用下，氣液擾動明顯，氣泡的聚并破碎不斷發生，大氣泡被破碎是主要趨勢，因此氣含率增加較大。

由圖 3 還可以看出，在分布器控制區域（h<50cm）[5]，當表觀氣速較低（0.77～1.69cm/s）時，氣泡尺寸較小且均勻，氣含率較大；隨著氣泡向上運動與旋流片接觸，氣泡發生了聚并，使氣含率有所下降。氣泡越向上運動旋流片的渦流作用越強，氣泡被破碎的越明顯；同時，旋流流動延長了氣泡運動距離，使之在上升區停留時間增加，因此隨軸向高度增加，氣含率也增加。

在圖3 中可見，軸向高度固定，上升區局部氣含率隨著表觀氣速的增加而增加，這與前人的研究結果是一致的[6-7]。

2.3 氣液固三相物系上升區氣含率

2.3.1 不同底部間隙及軸向高度對εg的影響

對于空氣-水-K 樹脂三相物系，在K 樹脂裝載量為2%、表觀氣速為0.77cm/s 時，對于不同底部間隙，HALR 中不同軸向高度處局部氣含率的變化規律見如圖4。

圖4 不同底部間隙（δ）下軸向高度（h）與上升區氣含率（εg）的關系

由圖4 可見，在軸向高度小于105cm 時，由于氣速不大，氣泡濃度較低，流動阻力集中在裝有旋流片的上升區，底部間隙對阻力影響很小，所以底部間隙變化對氣含率的變化影響不大；而軸向高度在105cm 以上時，三相物系的氣含率高于兩相物系的氣含率，這是由于在軸向高度較高位置處，氣泡上升速度較快，旋流片更易破碎大氣泡，固體的均勻流化也會增加對大氣泡的破碎作用[7]，因此在較高軸向位置處氣含率較高。

2.3.2 不同固體裝載量及表現氣速對εg的影響

在底部間隙18mm、軸向高度57.8cm 處的HALR 中，對于不同固體裝載量，局部氣含率隨表觀氣速的變化結果如圖5 所示。

由圖5 可見，總體而言，氣含率隨著表觀氣速的增加而增大。當表觀氣速較低時（Ug<1.38cm/s），兩相物系（V=0）的氣含率稍微大于三相物系的氣含率。這是因為在三相物系中（軸向高度較低處），固體顆粒的存在，使得氣相所占體積較小，使氣泡上升較快，滯留時間短，并且固體含量越大，停留時間越短，因而氣含率偏低。

圖5 固體裝載量（V）不同時HALR 上升區氣含率（εg）與表觀氣速（Ug）的關系

表觀氣速較大（Ug≥1.61cm/s）時，氣泡濃度加大，旋流片使氣泡上升中更易相互碰撞，氣泡易于發生聚并；但另一方面，旋流片能起旋流作用，旋流流動還會使固體顆粒流化的更均勻，這易于將大氣泡破碎為小氣泡，因而三相物系氣含率會大于兩相物系的氣含率；隨著固體含量的增加，對大氣泡的破碎作用越明顯，使氣含率明顯增加。因此存在一個使固體顆粒充分流化循環的最低操作氣速。

2.4 局部氣含率預測模型

氣含率的數據對于各類ALR 中的流體循環速度、氣相和固相在反應器內的分布、傳質速率、混合性能以及化學反應速率等均有重要影響，而且對該類反應器的工業設計、優化分析也具有重要參考價值，因此獲得氣含率的預測模型是此類反應器的重要研究內容。

迄今，已經提出的該類反應器的氣含率預測模型也比較多，大家公認的比較方便實用的是反應器的總體平均氣含率或上升區平均氣含率的模型[1]如式（4）。

式中的冪指數a2從0.333～0.96，a3從-1～-0.333，該類模型適用于中心氣升式內環流或外環流反應器，而氣含率沿上升區軸向分布多是實驗結果[6-7]，未見有預測模型。因此本文對開發的HALR中氣含率沿上升區軸向高度的預測模型進行研究。

根據前述實驗結果，HALR 的上升區氣含率與表觀氣速（Ug）和軸向高度（h）均有關，且影響關系分別為表觀氣速的冪指數和軸向高度的線性關系，因此提出氣含率預測模型，如式（5）。

對于水-空氣兩相物系，在表觀氣速為0～2.31cm/s的范圍內，在底部間隙分別為12mm、18mm和24mm 的HALR 中測得的局部氣含率實驗數據（104 組）進行擬合處理得到模型方程（5）的系數，即得到HALR中局部氣含率與表觀氣速和軸向高度的關系，如式（6）。

用方程（6）對氣含率進行計算，得到的計算值（εg，cal）與實驗值（εg，exp）的比較見圖6，所有數據的平均相對誤差為12%，可以用于工程設計。

圖6 HALR 中上升區氣含率計算值（εg，cal）與實驗值 （εg，exp）比較

3 結 論

開發研究的新型旋流氣升式環流反應器有如下特點。

（1）表觀氣速較小（<1.69cm/s）時，HALR的旋流片對上升的流體旋流作用弱，對氣泡有阻礙作用并導致聚并，使氣含率下降；在較高表觀氣速（>1.69cm/s）時，旋流片對流體產生強的旋流作用，形成的大氣泡易于被破碎，使氣含率提高，即HALR有利于高氣速操作。

（2）表觀氣速較小（<1.69cm/s）時，底部間隙對HALR 的氣含率的影響很小，可以忽略；在較高表觀氣速（>1.69cm/s）時，隨底部間隙的減小，氣含率增加。

（3）HALR 中上升區局部氣含率隨著軸向高度的增加而增加，但隨在固定表觀氣速的增加會加大增加的幅度。

（4）當表觀氣速較低時（<1.38cm/s），兩相物系的氣含率稍微大于三相物系的氣含率。隨著固體裝載量的增加，氣含率下降；表觀氣速較大（≥1.61cm/s）時，氣含率隨著固體裝載量的增加而增大。

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