鼓泡床反应器内流动与传质行为的研究进展

总结了有关浆态鼓泡床反应器内流动、混合用气液传质特性的研究成果,详细地介绍了鼓泡床反应器内气含率、液速、液体轴向扩散系数、传质系数的测量方法,阐述了鼓泡床反应器性能的主要影响因素,如系统压力、温度、气体表观气速、液体性质及固含率等对流动、液相混合和传质特性的影响,并对鼓泡床反应器的应用前景进行了详述.     

喷射环流反应器的放大效应

实验测量了两种塔径(?200和?500mm)和两种操作模式(气体单独喷射和气液同轴喷射)下喷射环流反应器内的全塔平均气含率、局部气含率及轴向液速径向分布、循环液速,归纳出全塔平均气含率的关联式。实验发现,喷射环流反应器具有十分显著的放大效应。小塔(?200)与大塔(?500)中的全塔平均气含率存在很大差异:小塔的全塔平均气含率～气速关系曲线比大塔陡峭,低气速下小塔气含率低于大塔、较高气速下高于大塔。根据漂移通量法分析得到小塔中流型转变点在表观气速0.1 m·s~(-1)左右,在实验气速范围内只存在拟均匀鼓泡流;大塔中流型转变点在表观气速0.04 m·s~(-1)左右,随气速增大从拟均匀鼓泡流转变为湍动鼓泡流。喷射环流反应器比气升式环流反应器、一般鼓泡塔全塔平均气含率略低,但循环液速更大,适用于强化固体悬浮与混合的气液固三相反应过程。     

浆态床鼓泡反应器中气含率的分布

为了解浆态床鼓泡反应器中气含率的分布规律,在浆态床鼓泡反应器冷模试验装置中,以空气-液体石蜡-氧化铝微球为试验介质对装置内部的气含率进行研究。利用压差法研究了表观气速、浆液固含量等操作条件对反应器床层总体气含率的影响,利用光纤探针法研究了浆态床反应器不同操作条件对局部气含率的影响,总结了反应器内部气含率的分布规律,并由此对工业浆态床鼓泡反应器的设计进行了研究。结果表明:浆态床反应器的总体气含率随表观气速的增大而增大,固体细颗粒的加入能适当降低总体气含率;在反应器底部,分布器对气体的均布作用明显,但表观气速的增大能够弱化分布器的作用;在反应器的中上部气含率不受分布器的影响,沿反应器径向呈现"中间高,边缘低"的分布趋势;在工业费托浆态床中,表观气速不宜低于0.12 m/s,内过滤系统适宜设置于反应器中上部靠近器壁的位置。     

外环流反应器中气含率的研究

本文研究了外环流反应器中气含率的轴向分布,不同环路阻力下气含率与气速、液速之间的关系,以及降液管中的气泡夹带。用流动模型对三种结构下的气含率数据进行了关联,得到了有意义的结果。     

多相气升式环流反应器局部相含率和环流速度

气升式环流反应器流动特性研究大多都局限于流动参数的平均特性研究,涉及气-液-固系统流动特性的研究也较少。在200×2500mm气升式环流反应器内,实验研究了空气-水两相及空气-水-玻璃珠三相体系中局部气、固相含率以及浆(液)相环流特性等随操作条件以及液、固相物性的变化规律。结果表明:1两相体系导流筒中截面平均气含率轴向分布有局部极大值,而固体和乙醇的加入使得气含率轴向分布平缓;2两相体系循环液速在导流筒中呈径向抛物分布,在环隙分布较均匀,加入固体和乙醇后对循环速度分布和大小影响不大;3三相体系中导流筒内固含率沿轴向升高呈增大趋势,环隙内轴向分布均匀;导流筒内、外固含率径向分布均不均匀,以近壁处为大;加入乙醇后对固含率分布影响不大。     

变径鼓泡浆液反应器的气含率特性

本文研究了变径鼓泡浆液反应器的平均气含率特性,考察了气体速度、静液床高、固体颗粒浓度以及颗粒直径的影响,并提出了变径鼓泡浆液反应器平均气含率的计算方法。     

煤直接液化鼓泡床反应器流场流动特性及强化机制

针对大型鼓泡床反应器存在返混增强、物料流场分布不匀匀性趋强以及传质效率低等影响反应器安全稳定高效运行的突出问题，开发了一种径向展开的新型阻尼分布器，在冷模试验平台上探索阻尼分布器对气泡聚并及破碎行为的影响规律，考察大型反应器中不同阻尼分布器组合方式的流场流动特性，探究了阻尼分布器组合在工业反应器放大过程中的流场强化效果。结果表明：设置阻尼分布器后，鼓泡床反应器冷模试验装置中湍流涡尺度减小，气泡破碎概率提高，不同气泡群经阻尼分布器后气泡群平均直径从13.48～24.38 mm降至9.40～20.38 mm,表面积增幅为8.5%～71.9%。设置阻尼分布器可提高反应器局部气含率和液速分布均匀性，适当增加阻尼分布器层数有利于扩大流场的轴向影响范围。增大阻尼分布器直径有利于减小各高度平面间局部液速的差值并提高局部气含率径向分布均匀性，不同高度平面中心液速的差值由0.6 mm/s降至0.3 mm/s,同一高度平面局部气含率方差可降至未设置阻尼分布器时的15%。在反应器放大过程中，流体绕流的径向范围扩大，设置阻尼分布器后局部气含率和液速分布均匀性进一步提高，同一高度平面局部气含率方差可降低至未设置...     

鼓泡床反应器中气液分配器对气含率的影响

以水和空气分别模拟工业上的重质原油和氢气迚行冷模试验,考察鼓泡床反应器新型气液分配器对气含率的影响,迚而优化幵确定气液分配器的结构形式和结构参数。试验结果表明,气液分配器对总体平均气含率的影响,随表观气速的增大基本呈线性增长,与其他鼓泡床迚料内构件结构的影响基本一致,幵且稍高一些(3%~5%)。对局部气含率的影响:轴向上,在测试范围内,轴向位置越高,气含率越高,主要和泡罩式气液分配器结构有关;径向上,气体在床层中分布不均匀,中间多,近壁少,同一高度时,中心处气含率一般为近壁气含率的1.5~2倍。     

大型加压环流反应器的冷模试验

环流反应器结构简单,优点多,因而近年来应用广泛。为了将环流反应器引入煤炭液化领域,建立了大型环流反应器冷模试验装置。进行了氮气-水体系的冷模运转试验,考察了表观气速、压力和表面张力对环流反应器中气含率的影响。在此基础上,对鼓泡状态和环流状态下的气含率进行了比较,并考察了环流反应器的操作弹性,得出了有重要意义的结论。     

气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉两流体模型研究气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响,预测了环己烷氧化反应器内单环结构、三环结构、五环结构的气体分布器时反应器内液相速度分布、气含率分布、液相循环速度以及液相微观混合特性.模拟结果表明,在等量的进气流量下,气体分布器环数增加,液相速度分布和气含率分布更趋均匀;气体分布器环数增加,液相推动力增加,从而使得液相循环速度增加,液相的宏观混合效果增强;气体分布器环数增加,导流筒内外的平均气含率增加.随机游走模型模拟结果表明,气升式环流反应器与普通鼓泡床反应器对气体分布器结构要求不同.     

Flow regime, hydrodynamics, floc size distribution and sludge properties in activated sludge bubble column, air-lift and aerated stirred reactors

This paper presents a comparative study how reactor configuration, sludge loading and air flowrate affect flow regimes, hydrodynamics, floc size distribution and sludge solids-liquid separation properties. Three reactor configurations were studied in bench scale activated sludge bubble column reactor (BCR), air-lift reactor (ALR) and aerated stirred reactor (ASR). The ASR demonstrated the highest capacity of gas holdup and resistance, and homogeneity in flow regimes and shearing forces, resulting in producing large numbers of small and compact flocs. The fluid dynamics in the ALR created regularly directed recirculation forces to enhance the gas holdup and sludge flocculation. The BCR distributed a high turbulent flow regime and non-homogeneity in gas holdup and mixing, and generated large numbers of larger and looser flocs. The sludge size distributions, compressibility and settleability were significantly influenced by the reactor configurations associated with the flow regimes and hydrodynamics.     

Hydrodynamics and bubble behaviour in a three-phase two-stage internal loop airlift reactor

Local hydrodynamics of a gas–liquid–solid system,such as bubble circulation regime,gas holdup,liquid velocity and axial profile of solid concentration,are studied in a two-stage internal loop airlift reactor.Empirical correlations for gas holdup and liquid velocity are proposed to ease the reactor design and scale-up.Different bubble circulation regimes were displayed in the first(lower) and second(upper) stages.Increasing superficial gas velocity and solid loading can promote regime transition of the second stage,and the gas holdup of the second stage is higher than that of the lower stage.In addition,the effects of solid loading on bubble behaviour are experimentally investigated for each stage.It is found that bubble size in the downcomer decreases with the presence of solid particles,and bubble size distribution widens under higher superficial gas velocity and lower solid loading.     

螺旋气升式内环流反应器流动特性

以水和空气两相系统为研究对象,建立螺旋气升式内环流反应器冷模实验装置,采用压差法测定导流筒升流区气含率,用电导法分别实测了升流区液相速度和反应器混合时间,研究螺旋气升式内环流反应器的流动特性,并与传统气升式内环流反应器的流动特性进行对比研究。结果表明,加螺环后反应器气含率明显增加,平均增幅为20%,升流区液相表观速度减小,混合时间增加。     

气升式环流反应器中的流体动力学研究(Ⅱ)——实验及模型结果分析

建立了一直径为0.186m、高3m的内环流气升式反应器。通过电化学方法测得了反应器中的气含率和速度。本文以文(Ⅰ)所得气升式环流反应器的一维两流体模型为基础,推导出了反应器的能量方程。分析了反应中的功耗分配规律,并以此对反应器中的流动规律作了较合理的解释。本文还从理论和实验上较全面地讨论了反应器操作参数和结构参数对气含率和循环液速等的影响。     

用于微生物石油脱蜡的新型气升环流反应器

本文报导了一种新型气升环流反应器,对反应器中液相流型、气含率与操作条件之间的关系进行了实验考察。利用气升环流反应器强化传质和混合的原理,将一个100m^3鼓泡塔反应器改造成三管循环的气升环流反应器,发酵试验结果表明气升环流反应器微生物脱蜡周期比原鼓泡反应器缩短4倍,气升环流反应器能耗比鼓泡反应器降低约30％。     

Hydrodynamics of an annulus airlift reactor

The hydrodynamics of an annulus airlift reactor (AALR) was studied and compared with that of a slurry bubble column reactor (SBCR) with silica sands of 75-125 μm in size as solids, city tapping water as liquid phase, and air as gas phase in the present investigation. The effects of superficial gas velocity and solids concentration on gas holdup and solids distributions were investigated. The results showed that the local average gas holdup decreased along the column height, and the average gas holdup decreased with the increasing solids concentration, but this tendency became less at higher solids concentrations. It was found that the effect of superficial gas velocity on axial solids distribution was negligible over the gas velocity range investigated, as long as the solids in the column could be suspended. Increasing solids concentration led to flatter axial solids holdup profiles. The axial distributions of solids concentration and gas holdup in the AALR were much more uniform than those in the SBCR, and slurry circulation in the AALR damped the effects of increasing solids concentration on the hydrodynamics. These advantages of an AALR over a SBCR are especially important for some catalytic reaction processes in three-phase systems such as Fischer-Tropsch synthesis and methanol synthesis.     

气液外环流反应器中气泡行为的实验研究

详细考察了气液外环流反应器中上升管、下降管的气泡行为随轴向、径向的变化规律. 由于外环流反应器的结构特点,发现在上升管底部存在偏流,并对分布板区气泡行为随角向的变化规律进行了研究. 分析实验结果得出,气含率和气泡速度均随表观气速的升高而升高;在上升管内,气含率和气泡速度自中心向边壁逐渐降低,而沿轴向变化很小;在分布板区,由于受分布器及下降管的影响,使气含率和气泡速度在不同角向存在不同的径向分布. 在下降管中,气含率自中心向边壁逐渐降低,而气泡速度则基本不变;且下降管中的气体循环率随表观气速的升高而升高.     

强制液体外循环气升式内环流反应器的流体力学特性

在有机玻璃制成的主体反应器(φ0.286 m×3.0 m)内，采用空气-水的气液两相体系考察了不同表观气速下带有中心下料管和环管式气体分布器的环流反应器内局部气含率和内环气泡上升速度的流体力学特性。结果表明：气含率均随表观气速的增大而增大；从外环流入内环的气泡数量比较少；在相同条件下外环的气含率远远低于内环的气含率；新型气体分布器的采用和液体外循环的引入可以增大床层气含率并使其分布趋于均匀，从而增大了内环中气液两相的接触面积和湍动强度，使传递过程得到强化。在此基础上采用商业软件ANSYS CFX10.0对该反应器进行了数值模拟研究，模拟结果与实验数据基本吻合，说明了基于实验验证的Euler-Euler法可以用于该反应器开发和放大研究。