旋流氣升式環流反應器中含醇物系的局部與總體氣含率研究*

張 宇，王 帥，劉永民

(遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順 113001)

環流反應器是一種以氣源為動力，使氣體和液體充分混合并使液體有規則循環流動的氣液接觸裝置。該反應器是在強化鼓泡反應器的基礎上發展起來的一種新型、高效的氣-液、氣-固或氣-液-固的多相反應器，而旋流氣升式環流反應器是在環隙氣升式環流反應器的基礎上改制而成，即在其導流筒的外壁上沿螺旋線方向不連續地安裝多個短小的翅片而制成的旋流氣升式環流反應器(見圖1)。翅片的存在使氣液混合物在環隙區每上升一段距離就會改變流動方向進而增加氣液兩相的湍動與混合，并會促進氣泡的破碎與聚并，從而強化了反應器內傳質、傳熱和混合效果。此類反應器具有操作便捷、易密封、能耗低、氣液相間接觸良好等諸多優點使之在環境工程、生物化工、石油化工以及冶金等領域中得到了廣泛的應用[1-2]，而且必將有更加廣闊的應用發展前景。

隨著經濟的發展，異丙醇、正丁醇、乙醇等醇類物質在生物化工、制藥、精細化工、電子工業等領域應用愈加廣泛，用量也逐漸加大，隨之而來伴生了大量含醇類的工業廢水[3-4]。處理此類廢水的設備——反應器也比較多，而提高反應器內的氣液接觸效率，強化氣液的混合程度是提高廢水處理效果、降低能耗的重要研究方向，為此作者對新型結構導流筒的旋流氣升式環流反應器[5-6]進行了研究。

平均氣含率和上升區局部氣含率是反映反應器內傳質、反應性能、流動與混合、傳熱性能以及反應器放大設計的重要特性參數[7]。目前對氣含率的研究多用空氣-水物系[8-10]，為豐富其它液相物料體系的研究，使氣含率的研究更具適用性，作者應用模擬含醇類的廢水對旋流反應器的平均氣含率和上升區局部氣含率進行了實驗研究，考察反應器中導流筒底部與反應器底板間的距離(簡稱底部間隙)以及醇類體積分數等對總體與局部氣含率的影響，以期探索物料的物性及導流筒安裝尺寸對反應器性能的影響，為此類反應器的工程應用提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 旋流反應器結構及實驗流程

旋流氣升式環流反應器(HALR)的結構與實驗流程圖見圖1。

實驗用旋流氣升式環流反應器(圖1a所示)的主體結構高2 m，內徑0.09 m，總高2.4 m；旋流導流筒的導流管規格為D50 mm×5 mm×1 500 mm，有兩種結構，在其徑向固定的旋流片(圖1b)每組有3個翅片的簡稱“3翅片導流筒”，每組有4個翅片的簡稱“4翅片導流筒”，每個導流筒上共有10組翅片，且旋流片與軸向成60°；反應器及內構件材料為有機玻璃。反應器內氣體、液體的流動參見文獻[5]。

圖1 旋流氣升式環流反應器(HALR)的結構與實驗流程圖

1.2 實驗條件

常溫常壓下，實驗表觀氣速范圍為0.46～1.86 cm/s；反應器中導流筒底部與反應器底板間的距離稱之為底部間隙，根據文獻[5-6]的研究結果選定底部間隙為1.2 cm和2.4 cm；實驗物系中氣相為空氣，液相分別為水，體積分數為1%、5%、10%的異丙醇水溶液，1%正丁醇水溶液和1%乙醇水溶液，液相間歇操作，液體靜液高為156 cm。

1.3 實驗原理

1.3.1 整體平均氣含率的測定

反應器的總體平均氣含率(εt)采用體積膨脹法測量，計算公式見式(1)。

(1)

式中，ht為反應器充氣總高度；h0為靜液高。

1.3.2 局部氣含率

對上升區微元管段做動量平衡，由于管段很小，忽略流體流動阻力和流體加速項，可得上升區局部氣含率(εi)[5]，計算公式見式(2)。

(2)

式中，Δz為上升區兩測壓點距離;Δh為在兩個測壓點間安裝的壓差計讀數；ρc、ρL分別為指示劑和實驗用液體的密度。

2 結果與討論

2.1 反應器整體平均氣含率

2.1.1 底部間隙的影響

對于空氣-φ(異丙醇)=10%水溶液物系，3翅片導流筒，不同底部間隙時反應器平均氣含率隨表觀氣速的變化規律見圖2。

ugs/(cm·s-1)圖2 不同底部間隙時反應器平均氣含率隨表觀氣速的變化

由圖2可見，這兩個底部間隙結構的反應器平均氣含率均隨表觀氣速的增加而增加，在同一表觀氣速下反應器平均氣含率隨著底部間隙的增大而減小，這是由于底部間隙越大，反應器底部轉向區域的流動阻力越小，液體流動速度就增大[11-13]，氣泡上升速度加快，使氣泡在上升區內停留時間縮短，導致氣含率減小，兩種底部間隙的氣含率差的平均值為0.006 4。

2.1.2 φ(異丙醇)的影響

在3翅片導流筒底部間隙為1.2 cm的旋流反應器中，考察了液相分別為水，φ(異丙醇)=1%、5%和10%水溶液的四組物系反應器平均氣含率隨表觀氣速的變化規律，結果見圖3。

ugs/(cm·s-1)圖3 φ(異丙醇)不同時反應器平均氣含率隨表觀氣速的變化

由圖3可見，對于三種體積分數的異丙醇水溶液物系，隨著表觀氣速的增加，反應器平均氣含率均隨之增加且均比水物系大。這是由于表觀氣速越大，氣泡濃度越大，氣含率就越大；在表觀氣速一定時，φ(異丙醇)越大反應器平均氣含率就越高，這是由于水溶液中異丙醇濃度越高溶液的表面張力就越小[14]，表面張力越小則產生的氣泡直徑就越小，單位液體體積內氣泡濃度就越大，所以氣含率就隨異丙醇濃度的增加而增加。

2.1.3 不同醇類物料體系的影響

在3翅片導流筒底部間隙為1.2 cm的旋流反應器中，考察了液相分別為水、體積分數均為1%乙醇、異丙醇和正丁醇水溶液的四組兩相物系的反應器平均氣含率隨表觀氣速的變化規律，結果見圖4。

由圖4可見，三個不同醇類物系，反應器平均氣含率均隨著表觀氣速的增加而增加，相同氣速下，三種不同醇類物系的平均氣含率結果為乙醇物系最大，正丁醇次之，而異丙醇物系最小，而且三個醇類物系的氣含率均比純水物系的大。這可能是由于乙醇、正丁醇、異丙醇、水物系表面張力依次升高[14]，表面張力越小，越易形成小氣泡，相同表觀氣速下，單位體積的氣泡濃度越大，氣含率就越大。

ugs/(cm·s-1)圖4 不同物系時反應器平均氣含率隨表觀氣速的變化

2.2 上升區局部氣含率

2.2.1 φ(異丙醇)的影響

在底部間隙為1.2 cm，導流筒翅片為3，表觀氣速固定為1.163 cm/s，φ(異丙醇)不同時反應器上升區局部氣含率隨上升區軸向高度的變化規律見圖5。

H/cm圖5 φ(異丙醇)不同時上升區局部氣含率隨反應器軸向高度的變化

由圖5可見，隨著軸向高度的增加，上升區局部氣含率基本恒定在均值上下波動；這是由于在表觀氣速一定時，通入的氣體量一定，氣體在上升區內在旋流片作用下聚并與破碎現象隨時發生，使氣含率小幅度上下波動。從圖5還可看出，在軸向高度(H)一定時，隨φ(異丙醇)的增加局部氣含率也隨之增加，這是由于φ(異丙醇)越大，表面張力越小[14]，形成的氣泡越小，因此氣含率增加。

2.2.2 不同物料體系的影響

在表觀氣速固定為1.163 cm/s，底部間隙為1.2 cm，導流筒翅片為3時，考察了水、φ(乙醇)=1%、φ(異丙醇)=1%、φ(正丁醇)=1%水溶液物系的上升區局部氣含率隨軸向高度的變化規律，結果見圖6。

H/cm圖6 不同物系時上升區局部氣含率隨軸向高度的變化

由圖6可見，相同表觀氣速下，φ(乙醇)=1%和φ(正丁醇)=1%物系氣含率最大，φ(異丙醇)=1%物系次之，而水最小，所以在水中加入少量乙醇或正丁醇有利于小氣泡的形成，使氣液相界面積增大，從而使反應器傳質性能提高[15-16]。對于水(H>50 cm)和φ(異丙醇)=1%水溶液物系上升區局部氣含率在軸向高度上基本維持恒定；而對于φ(乙醇)=1%和φ(正丁醇)=1水溶液物系在H>90 cm時，上升區局部氣含率隨著軸向高度的增加基本恒定；與水和φ(異丙醇)=1%水溶液物系結果類同。

2.2.3 導流筒上翅片數的影響

在空氣-φ(異丙醇)=1%兩相物系中，底部間隙為2.4 cm，導流筒翅片不同時上升區局部氣含率隨表觀氣速的變化規律見圖7。

ugs/(cm·s-1)圖7 導流筒翅片不同時上升區局部氣含率隨表觀氣速的變化

由圖7可見，對于兩個翅片結構的導流筒，上升區局部氣含率均隨表觀氣速的增加而增大。很明顯可以看出，在表觀氣速小于0.931 cm/s時，3翅片導流筒結構的氣含率略大于4翅片結構的，二者相差小于6.7%；在表觀氣速大于0.931 cm/s時4翅片導流筒的要比3翅片的大。這是因為在表觀氣速較小時，旋流翅片越多越易使氣泡聚并而形成稍大的氣泡，使氣含率下降；而當表觀氣速較大時，翅片越易于破碎氣泡而形成更多的小氣泡[6]，因此4翅片結構的局部氣含率更大。

3 結 論

(1) 對于乙醇、異丙醇、正丁醇的低濃度醇類水溶液物系，反應器平均氣含率和上升區局部氣含率均隨著表觀氣速的增加而增加,濃度相同時總體氣含率的變化結果為乙醇水溶液的最大，正丁醇水溶液次之，異丙醇水溶液較小，三者都比水大。表觀氣速一定，上升區局部氣含率在軸向高度上波動較小，可近似認為基本維持恒定。隨著異丙醇水溶液濃度的增加，氣含率也隨著增加；

(2) 對于底部間隙為1.2和2.4 cm,底部間隙小的反應器的氣含率高；

(3) 對于導流筒上同一徑向斷面上安裝的翅片數而言，氣含率的結果在表觀氣速小于0.931 cm/s時，3翅片的要比4翅片的大；而在表觀氣速大于0.931 cm/s時，4翅片的要比3翅片的大。

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