上流式反应器气液相间传质特性的实验研究

上流式反应器设置在固定床渣油加氢反应器前有利于提高渣油原料适用性,延长装置运行时间。实验研究了上流式反应器气液相间传质,采用五齿柱形氧化铝催化剂模拟工业催化剂颗粒,水溶液模拟渣油,空气模拟氢气,采用无氧水物理吸收和亚硫酸钠化学吸收的方法,测定了在高气液比的条件下上流式反应器床层气液相间传质特性实验。考察了表观气速、表观液速、填料粒径、内构件、催化剂级配和床层高径比对液相体积传质系数和气液相界比表面积的影响规律。实验数据表明,液相体积传质系数随着气、液速的增大而增大;随填料颗粒增大而减小;在床层内安装合适的内构件或增大反应器高径比,能够促进气液相间传质。基于实验数据拟合了适合上流式反应器液相体积传质系数和气液相界比表面积的经验关联式,拟合误差最大分别为12%和24%;表明所建气液相间传质的经验关联式能更好地预测上流式反应器中的气液相间传质特性。     

三维上流式反应器床层流动和返混特性

采用内径为280 mm的上流式反应器,以空气模拟气相、甘油和水混合溶液模拟渣油。用3种不同粒径的氧化铝球形工业催化剂颗粒为填充颗粒,考察了不同模拟物系的颗粒粒径、颗粒密度、液相黏度、不同床层的高径比和不同操作条件对上流式反应器内床层压降及其波动、床层轴向返混的影响规律。得到模拟工业运行物系和操作条件的上流式反应器床层总压降关联式,相对误差在12%以内。床层总压降均随床层高径比、颗粒密度和液相黏度增加而增大,但随颗粒粒径的增大而减小,床层压降波动随表观气速增加而增大。填充颗粒粒径越小、颗粒密度越小、高径比越大,床层内轴向返混越严重;床层内压降和轴向返混均随表观气速的增加而增大。     

三维上流式反应器床层流动和返混特性

采用内径为280 mm的上流式反应器,以空气模拟气相、甘油和水混合溶液模拟渣油。用3种不同粒径的氧化铝球形工业催化剂颗粒为填充颗粒,考察了不同模拟物系的颗粒粒径、颗粒密度、液相黏度、不同床层的高径比和不同操作条件对上流式反应器内床层压降及其波动、床层轴向返混的影响规律。得到模拟工业运行物系和操作条件的上流式反应器床层总压降关联式,相对误差在12%以内。床层总压降均随床层高径比、颗粒密度和液相黏度增加而增大,但随颗粒粒径的增大而减小,床层压降波动随表观气速增加而增大。填充颗粒粒径越小、颗粒密度越小、高径比越大,床层内轴向返混越严重;床层内压降和轴向返混均随表观气速的增加而增大。     

射流鼓泡反应器中液相体积传质系数的测定

羰基合成反应一般采用射流鼓泡反应器,该类反应器气液混合的方式采用射流而非机械搅拌,其主要优点是结构简单、制作简便、维护费用低。研究该类型反应器的传质系数对于其设计、优化及放大操作均具有重要意义。本研究采用缩颈式圆形喷嘴,以动态溶氧法对射流鼓泡反应器内的液相体积传质系数进行测定,考察了表观气速、射流雷诺数对液相体积传质系数的影响。研究发现,随气速增大液相体积传质系数的变化规律为先增大而后保持不变。维持表观气速不变,随雷诺数增加液相体积传质系数增大,但当表观气速小于0.0012 m/s时,雷诺数对传质改善较小。建立了液相体积传质系数的经验关联式,当气体输入功率占总功率56%时,液相体积传质系数最大,气体鼓泡和液体射流的协同作用最强。     

气液固微型流化床的气液传质系数

气液固微型流化床兼具微流控系统和宏观流化床的优点,具有潜在的工业应用价值,但是,其应用基础研究十分缺乏。采用床径为1.6、2.0、2.4 mm的微型流化床,平均粒径为160、190、220 μm的玻璃珠,以NaOH水溶液吸收CO₂气体为气液传质研究物系,在三相流动研究的基础上,考察了表观气速、表观液速、床径、粒径等对三相微型流化床气液体积传质系数的影响。结果表明：给定其他条件,增加表观气速和表观液速,均使气液体积传质系数增大;表观气速主要改变气含率和气液相界面积,而表观液速主要改变液相传质系数;床径减小,气液相界面积和气液体积传质系数都有所增加;在气液两相微型鼓泡塔中加入固体颗粒,形成三相分散鼓泡流型,当其固含率在0.15~0.30范围内,可显著增强气液传质,其气液体积传质系数是气液微鼓泡塔的1.1~1.5倍;与宏观流化床相比,相同条件下微型床的相界面积为它的5~10倍,是微型流化床具有更大体积传质系数的主要影响因素。     

气液固微型流化床的气液传质系数

气液固微型流化床兼具微流控系统和宏观流化床的优点,具有潜在的工业应用价值,但是,其应用基础研究十分缺乏。采用床径为1.6、2.0、2.4 mm的微型流化床,平均粒径为160、190、220 μm的玻璃珠,以NaOH水溶液吸收CO₂气体为气液传质研究物系,在三相流动研究的基础上,考察了表观气速、表观液速、床径、粒径等对三相微型流化床气液体积传质系数的影响。结果表明：给定其他条件,增加表观气速和表观液速,均使气液体积传质系数增大;表观气速主要改变气含率和气液相界面积,而表观液速主要改变液相传质系数;床径减小,气液相界面积和气液体积传质系数都有所增加;在气液两相微型鼓泡塔中加入固体颗粒,形成三相分散鼓泡流型,当其固含率在0.15~0.30范围内,可显著增强气液传质,其气液体积传质系数是气液微鼓泡塔的1.1~1.5倍;与宏观流化床相比,相同条件下微型床的相界面积为它的5~10倍,是微型流化床具有更大体积传质系数的主要影响因素。     

结构化多相反应器内泰勒流的液侧传质特性

采用定态溶氧法,实验测定了结构化反应器内的液侧体积传质系数.考察了表观气、液速度对液侧体积传质系数的影响,比较了三种不同孔密度的结构化载体(50、100和400 cpsi)内的液侧体积传质系数.结果表明,在实验的操作条件下,床层内的液侧体积传质系数随液体表观速度增大而增大:同-液速下,随气体表观速度增大亦增大.比较不同...     

多室气升式环流反应器传质特性

以Higbie的渗透理论为基础,建立了多室气升式环流反应器体积传质系数的模型方程．用亚硫酸钠空气氧化法测定反应器的比表面积和体积传质系数,讨论了表观气速和催化剂浓度对它们的影响,并验证了模型的适用性。     

新型旋转填料床的气相传质特性

以CO2-NaOH体系化学吸收测定不同超重力因子、液量和气液比(体积流量比)条件下的有效传质比表面积a,在相同操作条件下,以氨-空气-水体系进行空气吹脱含氨富液测定不同超重力因子、液量和气液比条件下的气相体积传质系数kya,从而得到气相传质系数ky,对其气相传质特性进行了研究. 结果表明,a随超重力因子、液量和气液比增大而增大,kya和ky均随超重力因子和气液比增大而增大,随液量增大而减小. 通过对比可知,在相近操作条件下新型旋转填料床的气相体积传质系数比文献折流旋转填料床的提高36%. 对实验数据进行回归,拟合出a, kya和ky分别与气相雷诺数ReG、液相韦伯数WeL和伽利略数Ga之间的关联式.     

气升式外环流反应器的体积传质系数

以Higbie的渗透理论和Kolmogoroff的湍流理论为基础,提出了计算液体旋涡在气液相界面暴露时间的方法,并建立了预测体积传质系数的模型方程。在不同管径比下的外环流反应器中,对空气 水体系测定了操作气速对体积传质系数、循环液速和气含率的影响。将体积传质系数与表观气速和下降管与上升管的面积比按幂函数进行关联,其预测值和试验值符合较好。     

低气液流速下三相固定床的传质特性

在低气液流速下对三相固定床气液并流向上和并流向下操作过程的传质特性进行了对比研究。分别采用物理吸收法和化学吸收法测定液相体积传质系数k_L~a与气液相际比表面积a,利用电容层析成像系统测定了床层持液量,并分别使用直径为1.9,4.0,9.3 mm的球形填料进行实验,考察颗粒的尺寸效应。结果表明:k_L~a和a均随气液流速增大而增大,其中向上流动受气液流速影响均很明显,而向下流动受液速影响较大。颗粒尺寸越小,k_L~a与a越大。相同气液流速下,向上流动相比于向下流动,k_L~a高出45%,a高出75%。采用量纲分析法拟合实验数据,得到k_L~a与气液相Reynolds数、液相Weber数之间的关联式。根据稳定气泡理论模型,得到气液并流向上过程a的预测关联式。     

喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响

喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响。以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律。实验发现,随着气速或液体射流Reynolds数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20%时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20%时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴。研究结果可为工业射流鼓泡反应器喷嘴结构的优化提供理论指导。     

喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响

喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响。以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律。实验发现,随着气速或液体射流Reynolds数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20%时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20%时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴。研究结果可为工业射流鼓泡反应器喷嘴结构的优化提供理论指导。     

超声内环流气升式反应器传质性能的研究

研究了超声内环流气升式反应器中空气-水-离子交换树脂体系的气液传质与液固传质性能.分别采用电极动态法和离子交换树脂法实验测定了气液传质和液固传质系数.重点考察了表观气速、超声电功率对于气液传质系数以及液固传质系数的影响.实验表明,内环流气升式反应器中表观气速对于气液传质性能影响较大,而超声作用对气液传质影响不大.该反应器中液固传质系数随表观气速的增加而增大;无超声作用情况下,当表观气速达到一定程度时,液固传质系数保持一恒定值.超声作用时,气速增加到4 cm·s-1左右,传质系数达到最大值,随后液固传质系数随着表观气速的增加而逐渐减小,传质系数仍然大于无超声作用时的值.超声对液固传质有较强的促进作用,电功率在150 W左右时,超声对液固传质的促进作用最佳,是不加超声作用时传质系数的两倍左右;但随着电功率的进一步增大,液固传质系数呈现下降趋势.     

大尺度浆态床内气含率和气液传质特征

测定了中试规模的浆态床反应器装置(内径0.29 m,高为3 m)内气含率和气液体积传质系数,其中,采用费托合成蜡和铁系催化剂且N2和He的混合气代替合成气CO和H2来模拟费托合成条件,费托合成蜡的黏度、密度、表面张力和扩散系数以及亨利系数等由实验或ABC混合模型研究得到。研究结果表明:气含率和体积传质系数随压力(0.5—3.5 MPa)、温度(380—500 K)、气体表观气速(0.1—0.3 m/s)增加而增加,但随固体体积分数(0—10%)和气体体积比(He/N2)增加而减小,基于实验数据提出了新的体积传质系数经验关联式。     

气体分布器对气升式反应器内流场和传质特性的影响

在气升式反应器冷模实验装置中,研究了气体分布器类型及结构参数对流场和传质的影响规律。结果表明：与环形分布器和四喷嘴分布器相比,采用半球形分布器时平均气含率更高、气含率径向分布更均匀、气泡直径更小、比表面积更大、下降段液速更大、液相体积传质系数更高。气升式废水处理反应器中选用半球形气体分布器可获得更好的混合和传质效果。进一步考察了半球形分布器开孔率和开孔角度对气含率、下降段液速和体积传质系数的影响,确定了最优开孔率为0.457%、最优开孔角度为45o。研究结果可为气升式反应器的工业设计和操作优化提供依据。     

上流式反应器中流体流动及返混特性研究

上流式反应器作为一种典型的三相反应器已广泛应用于工业生产中,在渣油加氢领域表现出很大的优势,但在工业应用中仍存在催化剂失活快、热点出现及局部结焦等问题。文中搭建了二维结构的上流式反应器,以空气和自来水作为气液介质,分别选用了3种粒径的玻璃珠、单粒径的氧化铝球载体作为填充颗粒。采用了一维轴向扩散模型,利用示踪-响应技术对反应器床层的压降、平均停留时间和轴向扩散系数进行了系统研究。液体对压降、平均停留时间和轴向扩散系数的决定性作用比气体重要,但当表观液速较低时则需要同时考虑气液两相的影响;同时,在一定的操作范围内大颗粒床层的平均停留时间较长。     

循环浆态床气液传质系数的研究

以空气-水-玻璃微珠和空气-石蜡油-玻璃微珠两种三相系统为研究对象,在常温常压下分别考察了液体介质的粘度等物性因素,表观气速、固含率、液体循环量等操作因素,气体分布器、分隔板等结构因素对循环浆态床反应器气液传质特性的影响.实验结果表明,气液传质系数随表观气速的增加而增加,随液体粘度和固含率的增大而减小,当表观气速和固含率增加到一定程度后,传质系数趋于稳定;低气速下,玻璃烧结板的传质效果较好,而较高气速时,多孔板和新型锐孔分布器的传质效果较好;分隔板能显著增大气液传质系数.对多孔板分布器实验数据进行了拟合,得出气液传质系数的经验关联式,关联式计算值与实验结果吻合良好.     

气升式内环流反应器流场及传质特性数值模拟

采用双流体模型和气液二相流体动力学理论建立了气升式环流反应器流体流动的数学模型,在此模型的基础上利用溶质渗透理论和各向同性湍流理论建立了局部液相体积传质系数数学模型。采用计算流体软件F luent对气升式环流反应器内气液二相流动状况进行模拟,模拟结果较好地解释了气升式环流反应器内的流动行为及传质特性。模拟计算值与文献实验值的吻合说明了模型的可行性。     

新型旋转填料床强化气膜控制传质过程

转子结构为相互嵌套填料环的新型旋转填料床是基于强化气膜控制传质过程的新型高效传质设备,可适用于受气膜控制的吸收、精馏和低浓度工业气体的净化等过程。分别以化学吸收体系CO2-NaOH和物理吸收体系NH3-H2O测定了不同气量、液气比和超重力因子条件下的有效比表面积a和气相体积传质系数kya,并由此得到气相传质系数ky,对其传质性能进行研究。实验结果表明：a、kya和ky均随着气量、液气比和超重力因子的增大而增大。通过对比可知,新型旋转填料床的气相体积传质系数在相近操作条件下是文献逆流旋转填料床的2倍。并对实验数据进行了回归,拟合出了a、kya和ky分别与气相雷诺数ReG、液相韦伯数WeL和伽利略数Ga之间的关联式。