化学反应工程论文DOCWord文档格式.docx
- 文档编号:6485031
- 上传时间:2023-05-06
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:312.86KB
化学反应工程论文DOCWord文档格式.docx
《化学反应工程论文DOCWord文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化学反应工程论文DOCWord文档格式.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
2.4表面张力对气含率的影响7
2.5压力对气含率的影响8
2.6环流反应器的操作弹性试验9
3结论9
参考文献10
环流反应器的冷模试验
摘要:
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。
关键词:
环流反应器;
气含率;
冷模试验
Coldmodelsimulationexperimentsofloopreactor
Abstract:
Theloopreactorsareappliedwidelyforitssimplestructureandmanymerits.Tointroducetheloopreactorforcoalliquefaction,alarge-scaleloopreactorcoldmodelexperimentalapparatuswasbuilt.Manytestsfornitrogen-watersystemweremadewiththisapparatus,andtheeffectsofgassuperficialvelocity,pressureandsuperficialtensionongasholdupwereinvestigated.Thegasholdupsofbubblestateandloopstatewerecomparedandloopreactor’soperationalflexibilitywasinvestigated.Importantconclusionswerereached.
Keywords:
Loopreactor;
Gasholdup;
Cold-stateexperiment
引言
环流反应器(LR)是在强化鼓泡反应器的基础上发展起来的一种新型多相反应器。
其内部流体进行有规则的循环流动,结构简单,具有较好的传热、传质和混合特性,易于工程放大,适合于气-液、液-液、气-液-固之间的均相和非均相反应[1]。
目前已在化学工业、生化工程、环境工程以及石油化工等领域得到应用,其应用前景将非常广泛[2-3]。
虽然环流反应器具有上述优点,但在煤液化领域还没有应用的先例。
因此作者所在课题组针对煤炭加氢液化反应体系的特点建立了新型环流反应器冷模试验台,并利用氮气和水体系进行了冷模运转试验希望通过冷模试验,来模拟煤液化反应体系中的煤浆与氢气体系的流体力学行为,为煤炭液化领域开发出新型的反应器——环流反应器。
当前环流反应器的研究绝大多数集中在小型装置及常压条件下,对大型环流反应器的研究比较少[4-5],而大型加压环流反应器的研究还未见报道[6-7]。
因此本研究在环流反应器及煤炭液化反应器方面都具有重要的创新意义。
1试验
1.1试验装置及流程
冷模反应器属于内环流环隙气升式环流反应器,反应器主要结构及尺寸大小见图1。
导流筒下部有气液分布板,分布板周边均布多个喷嘴,以促使液体和液体从环流反应器环隙向上运动。
环流反应器中部和下部安装有2块玻璃视镜,用来观察气泡大小、形状及运动行为。
冷模装置流程如图2所示。
冷模试验时,先往环流反应器及分离器中注入一定量的液体,并根据研究需要往冷模系统充入一定量的氮气,使整个冷模系统处于一定的压力水平。
然后利用循环气体压缩机和液体泵,使气体和液体在冷模装置内循环运转,在导流筒内外密度差的推动下,液体和气体在环流反应器中呈有规则的环流运动。
当环流反应器气液界面低于导流筒上端时,反应器呈鼓泡床状态;
当气液充满整个反应器时,呈环流状态。
图1环流反应器主要参数及结构图(单位:
mm)
图2冷模装置流程图
1—气体入口;
2—导流筒;
3—气液喷嘴;
4—气液分布板;
5—压差计;
6—液体入口;
7—放空口;
8—充压口;
9—循环氮气压缩机;
10—液体循环泵;
11—气体流量计;
12—液体流量计;
13—环流反应器;
14—气液分离罐;
15—压缩机进口气液分离罐;
16—压缩机出口气液分离罐
1.2参数测量
表征环流反应器流体力学行为的参数主要是气含率和循环液速,它们对环流反应器的放大设计、模型建立和工业生产控制有重要的作用。
1.2.1气含率
由于不同气含率的流体产生的静压力不同,因此可采用压差法测定局部区域内的平均气含率。
由于压差计中的液体与环流反应器中的液体一样,本研究的环流反应器安装有3个压差计,上部和中部的差压计用来测量环流反应器环隙间的气含率,下部的差压计用来测量环流反应器的入口阻力。
1.2.2循环流速
环流反应器中流体作有规则的循环流动,循环流速的大小是衡量反应器流动特性的重要参数,对器环间隙的液体速度。
2试验结果及讨论
根据研究需要首先利用氮气和水体系进行了冷模实验,对冷模实验的气含率这一特性参数进行了系统研究。
气含率是环流反应器的最基本的气相特性参数,它直接或间接影响到其它性能参数,是气相平均停留时间和气-液传质系数的指示器,还影响到液相循环速度,进而影响环流反应器的混合行为[8]。
因而本研究重点讨论环流反应器的气含率及气泡行为。
2.1气含率与表观气速的关系
保持液体流量不变,改变气体流量的大小,然后记录环流反应器的上、中两个压计的读数,就可以考察不同表观气体速度(也就是空塔气速,简称表观气速)下的气含率的变化,图3就是不同条件下的气含率与表观气速关系图。
在试验过程中发现环流反应器上部和中部的气含率差别很小,基本一致,说明环隙间气泡分布均匀,因此下文所提到的气含率都是指环流反应器环隙中部的气含率。
由图3可以看出,气含率随表观气速(空塔气速)的升高而增加,低表观气速下,气含率随空塔气速直线增加,高表观气速下,气含率增加的趋势变缓。
这与杨海光、刘梦溪、刘永民等[9-12]的研究结果一致。
因此高表观气速下,增加表观气速,对提高气含率的意义不大。
从环流反应器的视镜可以观察到气泡呈湍流运动,常压或体系不加活性剂时,气泡有大有小,当压力高或加入活性剂时,气泡大小比较均匀些。
2.2液体空速的影响
改变环流反应器的液体入口流量,保持气体入口流量不变,就可以考察不同液体空速下的气含率。
试验表明,在加压或常压条件下,液体空速对环流反应器环隙间的气含率影响比较小,如图4和图5所示。
图4及图5中右侧数值表示液体空速的大小,由两图可知,气含率随表观气速的增加而升高,基本上呈线性关系。
各条线分布密集,差异很小,而且规律性不明显,说明在不同的液体空速条件下,气含率的差别不大。
出现这种现象的原因可能是由于环流反应器高径比比较大,液体空速比较小。
2.3环流与鼓泡状态条件下的比较
为了比较环流反应器和鼓泡床反应器的气含率特性参数,还进行了鼓泡状态时的冷模试验运转,也就是使气液界面始终处于导流筒顶端以下。
根据试验结果,对鼓泡床与环流状态下的气体空速与气含率的关系进行了比较分析,如图6所示。
由图6可以看出,鼓泡及环流状态下,气含率与表观气体速度的关系趋势基本一致:
低空速下,二者呈直线关系;
高空速下,直线歪曲,增加趋势减缓。
在相同表观气速下,环流时的气含率高于鼓泡时的气含率,原因在于环流时从导流筒返回的气泡重新进入了环隙,因此增加了环隙间的气含率。
2.4表面张力对气含率的影响
往环流反应器中的液体中加入一定量的活性剂,可以改变液体的表面张力,加入的活性剂数量不同,就可以得到不同表面张力的液体体系,在每种体系下进行冷模试验,然后将各种不同表面张力体系的试验结果进行比较。
图7中每条曲线标题中的数值分别为系统压力值和液相体系表面张力值。
由图7可知,在不同的压力条件下,表面张力比较小的体系,其环流状态时的气含率都比表面张力高的体系升高。
原因在于当改变体系的表面张力时,就改变了体系的气泡聚并性能,使气泡变小,上升速率降低,进而气含率增加。
2.5压力对气含率的影响
将冷模装置充压。
在不同的压力条件下,保持液体进料量不变,改变气体进料量(表观气速),然后作出气含率与表观气速的关系图,如图8所示。
由于条件所限,仅对1.0MPa和2.0MPa及常压条件下进行了冷模试验,有待对更高压力进行冷模试验。
由图8可以看出,数据的重复性比较好,因此试验数据比较可靠。
无论鼓泡状态或环流状态,在相同的表观气速以及压力高时,气含率就高。
原因在于压力增加,气泡直径减小,气泡浮升速度降低,气含率增加。
这与张同旺等[13]在鼓泡床反应器中的研究结果类似。
从反应器侧面的视镜可以看到压力越高,环隙间的气泡越小,气泡形状越接近球形。
2.6环流反应器的操作弹性试验
冷模装置稳定运转时,气液分离器液位保持不变。
当液体或气体流量突然变化时,分离器液位也随之改变。
图9是气体流量突然变小后的工况变化示意图。
由图9可以看出,气体流量突然改变时,分离器液位在较短的时间内,即9min左右就恢复了平衡位置,整个冷模装置也恢复了稳定运转状态。
这就说明环流反应器的操作弹性好,抗干扰能力强。
3结论
通过多次冷模试验,获得了大量的试验数据,对环流反应器的流体力学性能进行了研究,得出的结论主要如下所述。
(1)表观气速增加,气含率增加,但增加到一定值后增加表观气速对气含率及流动状态影响不再明显。
(2)液体空塔速度从0~7mm/s,气含率几乎与液体空速无关。
(3)压力增加,气含率增加,但当压力增加到一定值后增压对气泡直径及流动状态没有影响。
(4)加压下,气泡直径变小且分布变窄、接近球形。
(5)相同表观气速时,环流状态比鼓泡状态的气含率高。
(6)改变表面张力,能改变体系的气含率。
(7)环流反应器操作平稳,抗干扰能力强。
(8)环流反应器液相循环比更高,更趋近于全返混模式。
利用这些结论,可以指导反应器的放大及优化,调整环流反应器在实际应用时的操作条件,而且这些结论对于大型加压环流反应器的研究也具有重要的学术意义。
参考文献
[1]王娟,毛羽,刘艳升,等.分布器结构对环流反应器气含率分布的影响[J].化工学报,2005,56
(1):
58-59.
[2]张永利,刘永民,张红.环流反应器研究进展[J].辽宁化工,2002,31(9):
410-413.
[3]毕卫东,阙国和.悬浮床渣油加氢中型连续装置反应器中气含率的冷模实验[J].石油大学学报:
自然科学版,2001,25(3):
19-22.
[4]ByungjoonPark,GeelsuHwang,SeungjooHaam,etal.Absorptionofavolatileorganiccompoundbyajetloopreactorwithcirculationofasurfactantsolution:
performanceevaluation[J].JournalofHazardousMaterial,2008,153:
735-741.
[5]IkerGonzalez,MariaPaulis,etal.Kineticandmicrostructurestudyofthecontinuousemulsionpolymerizationofanall-acrylicsformulationintheloopreactor[J].ChemicalEngineeringJournal,2008,142
(2):
199-208.
[6]PabloMarin,DavideFissore,AntonelloA.Barresi,etal.Simulationofanindustrial-scaleprocessfortheSCRofNOxbasedontheloopreactorconcept[J].ChemicalEngineeringandProcessing:
ProcessIntensification,2008.doi:
10.1016/j.cep.2008.04.008.
[7]KaustubhaMohanty,DebabrataDas,ManindraNathBiswas.Treatmentofphenolicwastewaterinanovelmulti-stageexternalloopairliftreactorusingactivatedcarbon[J].SeparationandPurificationTechnology,2008,58:
311-319.
[8]聂大仕,崔莹莹,张强,等.气升式环流反应器的特性及应用[J].化学工业与工程技术,2004,25(6):
6-7.
[9]刘永民,张强,张克铮.气升式环流反应器的流体力学模型[J].石油化工高等学校学,2001,14(4):
13-14.
[10]杨海光,范轶,李飞,等.气升式环流反应器在不同体系下的循环液速和局部气含率[J].高校化学工程学,2003,17
(1):
37-39.
[11]刘梦溪,卢春喜,储凌,等.中心气升式三相强化环流反应器内气含率分布的理论分析[J].高校化学工程学报,2005,19(3):
332-336.
[12]张同旺,高继贤,王铁锋,等.三相环流反应器流体力学行为[J].化工学报,2005,56(7):
1213-1217.
[13]张同旺,靳海波,何广湘,等.加压大型鼓泡床反应器内大小气泡气含率的研究[J].化学工程,2004,32(5);
29-33.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化学反应 工程 论文 DOC