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。     

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。     

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。     

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。     

气液并流向上填充鼓泡塔液体混合特性的研究

在内径为165 mm气液并流向上填充鼓泡塔中采用示踪法考查了表观气速、表观液速、液体黏度、填料大小等因素对液体轴向混合特性的影响。根据实验结果得出:Peclet准数随表观液速的增加而增大,轴向返混程度减小,而随表观气速或液相黏度的增加而Peclet准数略有减小,轴向混合程度增加。同时,填料的引入明显减少轴向混合程度,随着填料直径的增加,Peclet准数明显减少,轴向混合程度增大。根据实验结果,关联了实验范围内Peclet准数的计算式,为填充鼓泡塔反应器的设计与放大提供了一定的指导作用。     

液固磁稳定床中固含率分布与液相返混特性

固含率分布和液相返混系数是液固磁稳定反应器放大与优化所必需的基础数据。采用床层膨胀高度法、光电法及瞬态点源示踪技术,研究了以SRNA-4催化剂为固相的液固磁稳定床中固含率分布和液相返混特性。试验结果表明,固含率轴向分布基本均匀,径向为“扁-陡曲线”分布。固含率随磁场强度和颗粒尺寸的增大而增大,随液体粘度和空塔液速的增大而减小。轴向液相返混系数随磁场强度和液体粘度的增大而减小,随空塔液速和颗粒尺寸的增大而增大。回归得到了固含率和轴向普朗特准数的关联式,预测值与试验值吻合良好。     

液体分布器类型及催化剂布局对结构化多相反应器内液相混合特性影响的实验研究

以空气和水为体系,采用示踪-响应实验方法,通过电导探针获得浓度-时间曲线,系统考察了在胞密度为400 cpsi的催化剂床层下,以喷嘴分布器和玻璃珠静态分布器为液体分布器的整体式和分段式结构化多相反应器的液相平均停留时间和轴向扩散程度。结果表明,对以喷嘴和玻璃珠静态分布器为液体分布器的整体式和分段式结构化多相反应器,液相平均停留时间基本上都随表观气、液速的增大而减小,但对分段式结构化多相反应器,在较大的表观气速下,平均停留时间随表观气速的变化有趋于一致的趋势。表观液速对平均停留时间的影响更大。以喷嘴为液体分布器的结构化多相反应器内的轴向扩散程度比以玻璃珠静态分布器为液体分布器的结构化多相反应器内的轴向扩散程度要小。为更好地减小轴向扩散,可在结构化多相反应器内设置多重分布段。     

SiCl4冷氢化反应器床层密度的计算

通过理论计算临界流化速度u_(mf)和床层空隙率ε_e,得到SiCl_4冷氢化流化床反应器在不同粒径d_p和表观气速u_e条件下的床层密度ρ。床层密度随着硅粉粒径增大而增大,随着表观气速增大而减小。通过实际测量一定高度床层间的压降得到实际床层密度,与理论计算值对比二者吻合性较好,冷氢化反应器的床层密度沿高度方向变化较小。     

内过滤式喷射环流反应器混合特性研究

传统的喷射环流反应器应用于工业上的多相反应时一般采用外部分离,导致流程繁琐、能耗加大、甚至存在安全问题,本文在喷射环流反应器内设计了过滤式导流筒,以实现在反应器内进行多相反应和液固分离操作的连续化。用阶跃示踪法测定液相停留时间分布,考察了表观气速、过滤压力对该反应器混合特性的影响。结果显示:返混程度随表观气速的增大而增大;过滤压力增大,平均停留时间减小,返混程度增大,但过滤压力对返混的影响较弱。     

苯乙炔选择性加氢滴流床反应器内的液相轴向返混特性

苯乙炔选择性加氢是从裂解汽油C₈馏分中回收苯乙烯的关键反应,本文采用滴流床反应器对该反应体系的液相轴向返混行为进行了研究。首先利用脉冲示踪法测得了不同操作条件下的液相停留时间分布密度;然后基于固定床轴向扩散模型,通过有限元正交配置法和Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法,计算得到了Péclet数和液相平均停留时间;最后考察了主要操作条件对液相轴向返混的影响。研究结果表明,增大液体流量、气体流量、温度以及压力均可减小液相返混,而增大颗粒粒径会使液相返混加剧。     

微型流化床内气体返混

微型流化床基础和应用在近几年受到越来越多的关注。针对微型流化床对气固反应分析的应用要求,利用脉冲示踪法研究了内径10 mm和21 mm两种尺寸微型流化床中的气体返混特性,具体考察了管内径、颗粒静床高度、床料颗粒粒径和气体表观流速对气体返混程度的影响。结果表明:随着床内径、颗粒静床高度和表观气速的减小和床料颗粒粒径的增大,气体在床内的返混程度减小。使用粒径约270 μm粗颗粒时,两种床径的浅层微型流化床中的气体返混程度都较小,对应的Peclet数在27以上,证明了床内气体流动接近平推流,从而为利用微型流化床最小化气体返混对反应测试的影响,获得近本征反应动力学参数提供了流动特性的保障。     

流化床-提升管耦合反应器内沥青颗粒的流动特性

针对重油残渣(沥青颗粒)气化制氢工艺,在流化床-提升管耦合反应器大型冷模实验装置上,考察了不同操作条件下沥青颗粒体系在耦合反应器内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,对单组分沥青颗粒体系,耦合反应器适宜的操作条件为：提升管表观气速ug,r=0.70~1.76 m/s;与A类颗粒相比,沥青颗粒在耦合反应器内的流动特性呈现不同的特点,整个反应器沿轴向可分为底部流化床密相区、提升管底部低密度区、提升管颗粒密度重整区、提升管加速区、充分发展区和出口约束区6个区域;反应器内截面平均密度随颗粒质量流率增大而增大,随表观气速增大而减小;确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数为ep', Fr及H/Dr,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,其计算值与实验值吻合较好.     

流化床-提升管耦合反应器内固含率的轴向分布及流动发展

在耦合流化床反应器大型冷模实验装置上,考察了不同表观气速下FCC颗粒在耦合流化床内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,反应器轴向固含率可分为底部流化床区域和上部提升管区域. 前者的密相区平均固含率随表观气速增大而减小;后者的平均固含率随表观气速Ug增大而增大,Ug<0.58 m/s时固含率分布均匀,Ug=0.70~1.04 m/s时提升管出口出现约束返混区(>8.62 m),Ug>1.16 m/s时提升管底部出现密度重整区(3.82~4.57 m)、加速平稳区(4.57~8.62 m)和出口返混区(>8.62 m). 确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

提升管-流化床耦合反应器颗粒约束返混区的流动特性及约束作用分析

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃工艺,在一套提升管-流化床耦合反应器大型冷态实验装置上,系统研究了提升管出口段的颗粒流动特性,通过定义约束指数R_i（R_i为颗粒约束返混区实际截面平均固含率与理论截面平均固含率之比）定量反映提升管出口分布器及流化床层的约束作用。结果表明,与常规提升管相比,耦合反应器提升管出口存在一个颗粒约束返混区,其长度主要受表观气速、颗粒循环强度及上部流化床内颗粒静床高度影响;由于出口设置了倒锥形分布器,使得颗粒约束返混区靠近提升管出口区域在表观气速较低和颗粒循环强度较大时,局部固含率最大值出现在量纲 1半径Φ＝0.7处;颗粒约束返混区的约束指数在靠近出口的过程中逐渐增大,气固流动受到分布器及上部流化床层的约束作用亦逐渐增强。     

Hydrodynamics of three-phase fluidization of homogeneous ternary mixture in a conical conduit——Experimental and statistical analysis

Hydrodynamics of conical fluidized bed differ from that of columnar beds by the fact that a velocity gradient exists along the axial direction of the bed.The gas–liquid–solid fluidized bed has emerged in recent years as one of the most promising devices for three-phase operations.Such a device is of considerable industrial importance as evident from its wide applications in chemical,refining,petrochemical,biochemical processing,pharmaceutical and food industries.To explore this,a series of experiments have been carried out for homogeneous well-mixed ternary mixtures of dolomite of varying compositions in a three-phase conical fluidized bed.The hydrodynamic characteristics determined included the bed pressure drop,bed fluctuation and bed expansion ratios.The single and combined effects of operating parameters such as superficial gas velocity,superficial liquid velocity,initial static bed height,average particle size and cone angle on the responses have been analyzed using response surface methodology(RSM).A 25 full factorial central composite experimental design has been employed.Analysis of variance(ANOVA) showed a high coefficient of determination value and satisfactory prediction second-order regression models have been derived.Experimental values of bed pressure drop,bed fluctuation and bed expansion ratios have been found to agree well with the developed correlations.     

鼓泡淤浆床甲醇合成(Ⅱ)工业装置的工程分析

利用经热模试验验证的鼓泡淤浆床甲醇合成的数学模型 ,讨论了不同参数 ,如表观气速、反应器直径、床层高度等对床层颗粒轴向分布的影响规律 ,确定了万吨级三相床甲醇合成工业示范装置的主要结构参数和操作参数范围 .对两种不同工业原料气分别进行了模拟计算 .模拟结果表明 ,在三相床甲醇合成过程中 ,压力的影响最为显著 ,反应器内床层高度亦是较为重要的可调节参数 .在本文的操作条件下 ,当甲醇产量达到 1× 10 4t·a^-1时 ,在较广的温度和压力范围内 ,对两种原料气 ,出口甲醇摩尔分数在 7%～ 10 % ,CO转化率为 40 %～5 0 %     

返混对气-固反应特性测试和活化能表征的影响

采用冷态研究和高温反应相结合的方法,探究了气-固反应过程中返混对反应特性和动力学的影响。首先利用脉冲示踪法考察微型流化床内的气体停留时间分布规律和气体返混特性,揭示床内径D、表观气速U_g、介质颗粒粒径d_p对床内气体返混程度的影响,并分析气体流动偏离平推流的程度,得到其最大程度接近平推流的操作范围。进而,选取活性焦燃烧这一典型气-固反应,分析微型流化床反应分析仪中不同程度的返混状态下等温燃烧的反应行为和活化能演变,再现了D、U_g、d_p对反应测试结果的影响,即：随着床径减小及表观气速和介质颗粒粒径的增大,反应器内产物气体经历的返混程度减小,使得产物气体近平推流的输出并被即时检测,获得更好揭示反应本质特性的反应活化能。活化能数值随返混程度的减少而增大,且更易达到稳定反应状态。     

Fluid dynamic characteristics of a structured bed spiral mini-reactor

The fluid dynamic characteristics of a structured bed type multiphase mini-scale reactor are investigated in this work. This type of reactor, which is called spiral reactor, consists of a small tube with an internal diameter a little larger than the catalyst extrudate diameter where the catalyst particles are introduced one by one forming a string bed in the spiral tube. Mock up tests were performed at ambient conditions using water and nitrogen as liquid and gaseous phase, respectively, in upflow and downflow operation mode. The effect of the gas and the liquid superficial velocities, the reactor internal diameter to catalyst diameter ratio and the length of the reactor on the axial dispersion, liquid hold-up and pressure drop were studied. The liquid dispersion is not extended and its impact on the spiral reactor performance is expected to be not significant.     

含内构件的循环流化床的动态压力特性

针对含内构件的循环流化床,以石英砂为物料,使用动态压力传感器测量了含内构件的流化床中气固两相流的动态压力,分析了床内的瞬时压力特性. 结果表明,在进出口总压降中,文丘里压降最大,占主床压降的60%以上. 表观气速和固体颗粒循环流率共同影响循环流化床内的压力特性. 压力瞬时波动功率谱分析表明,压力波动对应一个主频,表观气速越小、颗粒循环流率越大时,压力波动越大,且循环流化床底部压力波动比上部大. 加入内构件能有效引导气流,使流动更均匀.     

Prediction of bed pressure drop and top packed bed formation in gas-liquid-solid semi-fluidized bed with irregular homogeneous binary mixtures

We studied the hydrodynamics of a gas-liquid-solid semi-fluidized bed relating to packed bed formation and bed pressure drop with irregular homogeneous binary mixtures in a 0.05 m internal diameter Perspex column, with water and air (secondary) as fluidizing medium at constant static bed height of 0.08 m. A homogeneous binary mixture has been taken for easy formation of a semi-fluidized bed. Air is supplied centrally below the bottom grid in radial direction with a special design air sparger after the bed is first fluidized by the liquid. Experimental parameters studied included superficial gas and liquid velocities, average particle size and density and the bed expansion ratio. Empirical and semi-empirical models were developed. The calculated values from predicted models were compared with the experimental values and fairly good agreement was obtained.