用于電石生產(chǎn)新型反應(yīng)器的開發(fā)及流動(dòng)性能研究

1、用于電石生產(chǎn)新型反應(yīng)器的開發(fā)及流動(dòng)性能研究 引言隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)石油的需求日益的增大，同時(shí)石油的產(chǎn)量的下降和價(jià)格的上升，使煤炭化工產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，電石化工也得到了重視和發(fā)展的機(jī)遇。電石工業(yè)對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，在電石的生產(chǎn)量和消費(fèi)量上我國均是世界第一，從2009 年的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，西北和華北地區(qū)電石產(chǎn)能進(jìn)一步向內(nèi)蒙、寧夏等地集中，雖然如此，但是產(chǎn)能過剩、分散的局面仍是我國電石行業(yè)面臨的基本情況。從長遠(yuǎn)利益考慮，發(fā)展電石行業(yè)符合我國“富煤少油”的國情，如何促進(jìn)我國電石行業(yè)的健康、和諧發(fā)展值得不斷探索。 當(dāng)前我國的乙炔合成方法主要是電弧法或固定床法，該方法主要的利用電來

2、加熱電弧爐，使其使石灰和焦炭融化產(chǎn)生反應(yīng)，生產(chǎn)電石，此法雖然歷史悠久，但是存在高能耗、高物耗、高污染的缺點(diǎn)1。 針對(duì)電石生產(chǎn)的上述缺點(diǎn)以及電石生產(chǎn)中應(yīng)考慮的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、多相傳遞（包括動(dòng)量、能量、質(zhì)量傳遞）等因素，本課題旨在探索一種更加節(jié)能高效的反應(yīng)器以實(shí)現(xiàn)有效的化學(xué)轉(zhuǎn)化。考慮到電石生產(chǎn)的特點(diǎn)為固-固多相接觸反應(yīng)，而且反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)有效化學(xué)轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，反應(yīng)的宏觀性能取決于反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)狀態(tài)和過程。決定反應(yīng)狀態(tài)和過程的內(nèi)因是活性位尺度的本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程和反應(yīng)熱力學(xué)性質(zhì)，外因是反應(yīng)器內(nèi)的傳遞性能；反應(yīng)器中內(nèi)、外因是耦合的，這種耦合關(guān)系決定了反應(yīng)器的宏觀性能，因而是反應(yīng)器工程研究的核心內(nèi)容

3、。 近來，劉振宇等2提出一種新型氧熱法電石生產(chǎn)工藝，該法直接耦合吸熱的電石生成反應(yīng)和放熱的炭燃燒反應(yīng)，不僅提高熱效率，且可提高反應(yīng)中各相間的接觸效率。針對(duì)該工藝，已提出氣流床反應(yīng)器技術(shù)3，也即在反應(yīng)器內(nèi)分區(qū)進(jìn)行炭燃燒和電石合成反應(yīng)，本文將對(duì)此反應(yīng)器進(jìn)行初步的研究。 基于對(duì)粉狀殘焦和CaO的高溫反應(yīng)機(jī)理、焦中無機(jī)組分的作用以及氧熱反應(yīng)狀況下的傳遞行為的認(rèn)識(shí)：粉狀殘焦和CaO為固相，高溫條件下反應(yīng)生成的2CaC 為液相，反應(yīng)過程中需要的2O 和產(chǎn)生的 CO 為氣相，研究使用（固+固=液+氣）這類反應(yīng)類型的優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型，因此，本文構(gòu)想適用該工藝的兩種反應(yīng)器，一種是淤漿鼓泡床反應(yīng)器，另一種是氣流床反

4、應(yīng)器。作為新型電石生產(chǎn)反應(yīng)器開發(fā)的第一步，本文研究其多相流動(dòng)特性，也即在冷態(tài)條件下，對(duì)淤漿鼓泡床而言，主要考察操作、物性及幾何參數(shù)與物料相分布、相接觸、相混合特性的關(guān)系及規(guī)律；對(duì)氣流床反應(yīng)器，主要考察分析了床層的壓降、床層內(nèi)局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層內(nèi)固體顆粒濃度沿反應(yīng)器軸向及徑向的分布規(guī)律，據(jù)此分析反應(yīng)器的可行性，為新型電石反應(yīng)器的研發(fā)提供借鑒和參考。 1.1 淤漿鼓泡床反應(yīng)器 1.1.1 淤漿鼓泡床簡(jiǎn)介 淤漿鼓泡床反應(yīng)器（Slurry Bubble Column Reactor, SBCR）是一種在工業(yè)上非常重要的氣-液-固三相反應(yīng)器。它的特點(diǎn)是以液相為連續(xù)相，氣相為

5、分散相的，它不僅可以進(jìn)行連續(xù)的操作，還可以進(jìn)行間歇式操作，連續(xù)操作時(shí)候后，氣體和液體連續(xù)加入，流動(dòng)方向可以向上并流或逆流。在SBCR 內(nèi)部，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱容量大、燃燒強(qiáng)度高、排放污染物質(zhì)少且容易處理、傳熱強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，所以既可以用于慢熱的反應(yīng)又可以用于強(qiáng)熱的反應(yīng)4。近些年來，SBCR 的應(yīng)用場(chǎng)合包括化學(xué)及生物化工等領(lǐng)域5，涉及諸如氧化、加氫、烷基化、聚合、Fischer-Tropsch（F-T）合成、液相甲醇合成、廢水處理、煤的直接液化等催化反應(yīng)過程，也見諸非催化和生物過程6。 在淤漿鼓泡床中，氣相以分散的氣泡形式與漿相（液相+懸浮的固體顆粒）相接觸。工業(yè)實(shí)用中，液相一般作為反應(yīng)物（如用于加氫場(chǎng)

6、合的2H ），其表觀氣速可達(dá) 0.4 m/s ；液相為反應(yīng)物，也可以是產(chǎn)物或者是惰性的（換熱）介質(zhì)，其表觀速度在間歇操作下為零，在連續(xù)操作下也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表觀氣速（至少 1 個(gè)數(shù)量級(jí)）；固體多為催化劑顆粒，特征尺寸5-150mm，其在床層中的體積分率可高達(dá) 50%6，主要受液體以及氣泡尾渦的分散和曳帶作用而處于流化狀態(tài)；反應(yīng)器高徑比介于 2-20間，有的反應(yīng)器直徑可達(dá)10 m、高30 m。圖3-1例示了一個(gè)SBCR 反應(yīng)器，其中，氣體經(jīng)預(yù)分布器分散后連續(xù)進(jìn)入床層，床層中的換熱器構(gòu)件用于調(diào)節(jié)或控制床層溫度（如移除加氫過程的反應(yīng)熱）。 取決于不用的應(yīng)用環(huán)境，SBCR 的形式多種多樣；基本地，可以按照操

7、作模式和有無內(nèi)構(gòu)件加以分類。就操作模式而言，可以是間歇或連續(xù)操作，視液相（或漿相）是否連續(xù)進(jìn)出反應(yīng)器而定。在連續(xù)模式下，操作一般為氣液（漿）并流操作，實(shí)用中，也存在逆流操作的情形，其時(shí)，液體順重力場(chǎng)下行7，如此可增加氣泡在床層中的停留時(shí)間以及持留量。 （3）傳質(zhì)性能：軸向擴(kuò)散系數(shù)、停留時(shí)間分布、流體-固體、流體-流體間對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。 影響SBCR 傳遞性能表征參數(shù)的因素包括8：（1）操作條件：氣/液表觀速度、系統(tǒng)的溫度和壓力、進(jìn)料組成、催化劑裝置和進(jìn)料速率、反應(yīng)器的加熱/冷卻速率。（2）幾何參數(shù)：反應(yīng)器幾何尺寸、內(nèi)構(gòu)件形式和幾何尺寸、預(yù)分布器和幾何尺寸、催化劑尺寸及其分布。（3）物性參數(shù)：熱容

8、、反應(yīng)熱、粘度、固體顆粒密度等。 由上可知影響 SBCR 傳遞性能（因而反應(yīng)性能）的因素眾多，如此多樣的聯(lián)系和相互作用的交織增加了復(fù)雜性，同時(shí)也提供了改進(jìn)反應(yīng)器性能的多種可能性。 1.1.2 流型 （1）流型的界定：多相流雖然存在相界面，但在各相內(nèi)部仍可定義層流或湍流，例如在多相流的Huler8模型中，但在物理上，作為非均相混合物整體，流型界定一般是以流動(dòng)的宏（表）觀特征為依據(jù)的。流型的不同實(shí)際上反映了流動(dòng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，因而不同流型下反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)、相間質(zhì)量及熱量的傳遞等特性差異很大。多相流流型表征的常規(guī)做法是通過改變表觀氣速（和/或液速），確定流型變化的隨動(dòng)關(guān)系，在此兩個(gè)維度上，多相流床層中可展

9、現(xiàn)多種流型9。一般認(rèn)為，在淤漿鼓泡床中的存在三種流型： 均勻鼓泡流：對(duì)應(yīng)于低、中氣速（和高液速）條件，特征是氣泡尺寸小且在床 層中均勻分布，沒有大尺度的液體環(huán)流。 非均勻劇烈湍動(dòng)（或聚并鼓泡）流：對(duì)應(yīng)高氣速（和低液速）條件，特征是（由于聚并形成的）大、小兩類氣泡并存且氣體在床層中分布不均勻，還存在大尺度以及局部的液體環(huán)流。 柱塞流：在小尺寸反應(yīng)器中，容易形成柱塞狀氣泡或氣節(jié)，柱塞流的出現(xiàn)限于直徑小于約0.2 m 的床層。圖1-2示出了一張廣為引用的淤漿鼓泡床流型圖10，其中顯示了床徑的因素；可見，柱塞流的出現(xiàn)限于直徑小于約 0.2 m 的床層。1.1.3 相含率的分布 淤漿鼓泡床反應(yīng)器中的相分

10、散是非常重要的問題，相分散指的是氣、液和固相三相在床層中的分散、運(yùn)動(dòng)和接觸狀態(tài)，相應(yīng)的表征參數(shù)包括相含率、氣泡動(dòng)力學(xué)、固體顆粒的流化狀態(tài)以及液體的流動(dòng)速度等參數(shù)。相含率指單位體積床層中某相的體積分率。SBCR 床層由氣-漿（液+固）相混合物組成，據(jù)定義，各相的體積分率滿足如下歸一化條件： 式中各項(xiàng)依次為氣、液和固相的含率。 1）反應(yīng)器內(nèi)平均氣含率及其分布 氣含率是淤漿鼓泡床層中非常重要的參數(shù)之一，其大小與作為分散相的氣泡的大小以及上升速度（因而滯留時(shí)間）有關(guān)，由此可以解釋其隨多種影響因素的變化。關(guān)于氣含率隨各因素的變化關(guān)系總結(jié)如下： 1) 表觀氣速：在一般情況下，床層平均氣含率隨表觀氣速的增大

11、而增大，在均勻鼓泡區(qū)，局部氣含率與氣速速度成線性關(guān)系，但是在劇烈湍動(dòng)流下，床層的平均氣含率與氣體速度的0.35-0.68次方成正比例11。 2) 壓力：通常來說，在高壓下氣泡的平均尺寸變小，因?yàn)楦邏合麓髿馀莞菀灼扑椋瑥亩箽馀莩叽绲姆植甲冃?，從而增加床層的氣含?2。 3) 床體直徑和靜液高度：隨床體直徑的增大，氣含率減??；當(dāng)床徑 >cm15CD 且高徑比 50>CDH 時(shí)，其影響可忽略13。此外，在存在大、小兩類氣泡的非均勻劇烈湍動(dòng)流下，床徑大小主要影響大氣泡的含率14。 4) 固含率：Sade 等人15報(bào)道，當(dāng)固含率<.%5vol 時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的平均氣含率與氣-液二相鼓

12、泡床層差別不大；但 Kara16等人發(fā)現(xiàn)即使固含率較低時(shí)氣含率隨固含率也有明顯變化。 5) 顆粒直徑：在反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)固體顆粒的直徑非常小的時(shí)候，床層不的氣含率隨著小顆粒直徑的變大而變大，但是大到一定值時(shí)，床層的平均氣含率隨著其小顆粒的直徑而變小。顆粒直徑在 44mm到254mm間，其影響可忽略不計(jì)。 6) 液/漿物理性質(zhì)：表面張力、黏度的增加和密度的增加均會(huì)使氣含率變大（由于更小尺寸氣泡的形成）。 （2） 固相含率及其分布 固體顆粒懸浮在液體中，主要受來自液體的曳力和湍動(dòng)分散、以及氣泡尾渦的作用而處于流化狀態(tài)。固體顆粒操作狀態(tài)可以是間歇模式（如沸騰床中的催化劑）也可以是連續(xù)模式（如輸送床或三相

13、循環(huán)流化床）。固體顆粒在床內(nèi)分散、懸浮及流化狀態(tài)與反應(yīng)器的傳遞和反應(yīng)性能密切相關(guān)，因此對(duì)其定性和定量的研究一直受到研究者重視。對(duì)固體顆粒在床層內(nèi)分散的描述是固相含率在床層中的軸向和徑向分布。固含率隨床高由底部分布板向上逐漸減小，其徑向分布中間濃度低，靠近壁面濃度高。 表觀氣/液速：固相含率隨著表觀速度的增大而趨于均勻，當(dāng)氣流速度增大時(shí)，有更多的固體顆粒被帶到床層更高的位置。 壓力: 床層內(nèi)壓力增大時(shí)，固顆粒分布變均勻。 液速：在反應(yīng)器內(nèi)，液體速度的增大使得液固二相混合均勻，所以固含率沿反應(yīng)器的分布較均勻。 固體濃度：當(dāng)床層內(nèi)固體顆粒濃度增大時(shí)，固相含率的分布變的均勻。 近些年來，Cova 等人

14、 、Suganuma 和 Yamanishi提出的沉降-分散模型（Sedimentation-Dispersion Model, SDM 模型）被廣泛運(yùn)用，這兩種模型能較好預(yù)測(cè)淤漿床反應(yīng)器中固體顆粒的軸向分布。 （3）氣泡動(dòng)力學(xué) 在漿態(tài)鼓泡床中，氣泡的形成及逃逸是一個(gè)重要的過程。氣泡大小分布和上升速度直接影響到相間質(zhì)量傳遞、相界面積和各相的停留時(shí)間，是重要的流體力學(xué)參數(shù)。文獻(xiàn)中研究氣泡的方法多種多樣，但大部分方法都基于 Krishna 等21提出的“大小氣泡”這種模型。所以根據(jù)此研究結(jié)果床層內(nèi)的氣泡含率和上升速度可以分成大氣泡群和小氣泡群來研究22。通常在研究大氣泡、小氣泡上升速度時(shí)，最常用的

15、方法是動(dòng)態(tài)氣體溢出法技術(shù)。動(dòng)態(tài)氣體逸出法技術(shù)由 Mann23提出，它的原理是當(dāng)反應(yīng)器通氣閥門突然關(guān)閉時(shí)，床層的液面會(huì)隨之變化，用差壓傳感器采集在關(guān)閉氣路時(shí)大小氣泡溢出的數(shù)據(jù)，并作出相對(duì)應(yīng)的溢出曲線，根據(jù)此曲線可以分析出大氣泡和小氣泡的分布規(guī)律及氣含率的大小。在用于電石生產(chǎn)的鼓泡反應(yīng)器中，液面內(nèi)部存在大小氣泡以及反應(yīng)物顆粒，其中，分散的氣泡含配料炭顆粒，作用相當(dāng)于分隔的燃燒室，CaO顆粒分散在連續(xù)的 CaC2溶體內(nèi)；氣相中過量的炭顆粒經(jīng)氣液界面連續(xù)傳遞至液相與 CaO顆粒接觸并生成電石溶體。 1.1.4 流動(dòng)特性參數(shù)的測(cè)量 （1）氣含率的測(cè)定 在以往的研究中，測(cè)淤漿鼓泡床反應(yīng)器中流體力學(xué)參數(shù)的測(cè)

16、試方法有很多種，最常用的幾種方法如下：光纖探頭、射線法、攝像法、差壓傳感器法以及動(dòng)態(tài)氣體溢出法來測(cè)量反應(yīng)器中的平均氣含率、大小氣泡分布、固含率等參數(shù)。 在不連續(xù)的操作中，一般情況下來測(cè)量全床層的平均氣含率大都采用膨脹床法24，其主要的手段是用目測(cè)方式，當(dāng)通氣的時(shí)候，記錄先液面上升的最高位置 H1，然后突然關(guān)閉氣路，等液面回到初始位置時(shí)，記下液面高度 H2，全床層的平均氣含率就等于H1-H2/H2，此方法簡(jiǎn)單、快捷、容易掌握，缺點(diǎn)是測(cè)量值和真實(shí)值存在一定的誤差。在連續(xù)的操作方式時(shí)，通常用差壓法來測(cè)量床層的局部平均氣含率，用到的儀器是差壓傳感器，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)通入氣體時(shí)，差壓傳感器和計(jì)算機(jī)連接在一起，

17、可以實(shí)時(shí)在線采集到床層內(nèi)部壓力的變化情況，根據(jù)壓力的變化情況來計(jì)算出床層局部的氣含率。此方法高效、快捷、準(zhǔn)確性高，近些年來得到了廣泛的運(yùn)用。 攝像法25是運(yùn)用高速的面陣攝像頭(CCD）來采集反應(yīng)器內(nèi)的變化情況的圖片，此方法的前提是床層內(nèi)部的其他因素干擾少能、見度較高時(shí)，可直接的觀察到床層內(nèi)部氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)記錄系統(tǒng)主要有高速 CCD、計(jì)算機(jī)和高強(qiáng)度的新聞燈組成，高速CCD拍攝的相片通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集，高效快捷。但是也存在一定的局限性，如果反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)劇烈或者反應(yīng)內(nèi)的液固二相比較渾濁，光線差的時(shí)候，用高速的 CCD來拍攝相片，效果很差，所以在此反應(yīng)條件下，攝像法不適合運(yùn)用。在氣-液-固三相的

18、床層內(nèi)，高強(qiáng)度的新聞燈照射反應(yīng)器時(shí)，光線穿過氣泡和液固后在 CCD 的拍攝的相片中會(huì)得到灰度不一樣的圖片，通過分析此影像來確定關(guān)于大小氣泡才一些運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 近些年，隨著光纖技術(shù)的成熟，光纖探針用于測(cè)量床層內(nèi)氣泡的一些變化規(guī)律也被廣泛運(yùn)用在石油化工的領(lǐng)域 26。其工作的原理是當(dāng)光纖探頭伸入到反應(yīng)器內(nèi)時(shí)，外置的傳感器會(huì)發(fā)射光源，光線經(jīng)過氣相和液固相時(shí)，反射回來的強(qiáng)度有差別，這樣的變化被探針探測(cè)到，經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最終經(jīng)過分析可以得出想要的一些氣泡行為的技術(shù)參數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)中采用床層膨脹法測(cè)定在表觀氣速、內(nèi)構(gòu)件、靜液高度等各種影響因素下的全床層平均氣含率；差壓法測(cè)定在表觀氣速、內(nèi)構(gòu)件、靜液高

19、度和固相含率等各種影響因素下的局部平均氣含率；用動(dòng)態(tài)氣體逸出法確定在上述各種因素下大小氣泡在全床層的分布。 （2） 固含率的測(cè)定 在氣-液-固三相床中，測(cè)量固含率的方法有很多種，電導(dǎo)探針法和射線法27是比較常用的兩種方法。兩種方法都需要精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)的手段，在一些實(shí)驗(yàn)條件不是很成熟的時(shí)候，通常采取直接取樣稱重法，這種方法是一種很簡(jiǎn)單的方法，原理是通過取樣管把漿液取出來，烘干后稱重，這樣就可以得到床層內(nèi)某一局部的固相含率，取樣法需要的實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，在科研的領(lǐng)域被廣泛的運(yùn)用。本實(shí)驗(yàn)采用直接取樣法定量測(cè)定在表觀氣速、內(nèi)構(gòu)件等各種影響因素下固含率沿軸向的分布。 （3）床層壓降的測(cè)定 一

20、般情況下，選擇U 型液壓管對(duì)全床層壓降和床層局部壓降進(jìn)行測(cè)量，此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，儀器價(jià)格低廉，通過目測(cè)的方法就行知道床層內(nèi)壓力的變化情況，在以往的研究中，大多采取這種方法。近些年來，差壓傳感器法用來測(cè)量床層的壓降被廣泛的運(yùn)用28，此方法是傳感器一端探頭在床層內(nèi)，另一端和計(jì)算機(jī)連接，當(dāng)進(jìn)行連續(xù)操作時(shí)，傳感器能夠連續(xù)實(shí)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)并別計(jì)算機(jī)采集，此方法準(zhǔn)確迅速方便，大大提高了工作的效率，已被大量的運(yùn)用在淤漿鼓泡床的研究之中。 1.2 氣流床反應(yīng)器 前面的文章提到，根據(jù)劉振宇等29提出的氧熱法電石生產(chǎn)新工藝，這種工藝主要是固固相接觸，在高溫環(huán)境下生成液相。針對(duì)該工藝，已提出氣流床反應(yīng)器技術(shù)3，也即在反

21、應(yīng)器內(nèi)分區(qū)進(jìn)行炭燃燒和電石合成反應(yīng)，本文的氣流床反應(yīng)器是對(duì)床層分段考察，接下的文章我會(huì)對(duì)結(jié)合流化床對(duì)氣流床做個(gè)一詳細(xì)的介紹。 1.2.1 氣流床反應(yīng)器的簡(jiǎn)介 根據(jù)此前的文獻(xiàn)報(bào)道可知，氣固流化床反應(yīng)器是在石油化工領(lǐng)域有較廣的運(yùn)用，其特點(diǎn)是反應(yīng)物顆粒懸浮于床內(nèi)，具有流體流動(dòng)的性質(zhì)，反應(yīng)物的成分在于反應(yīng)物的接觸中發(fā)生反應(yīng)。由于其氣固兩相返混劇烈，傳熱、傳質(zhì)效率高等特點(diǎn)已在電力、石油、化工、冶金、能源環(huán)保和核工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用30-31。但是流化床本身存在一定的缺點(diǎn)。一是，氣固兩相劇烈的流動(dòng)，導(dǎo)致其接觸不均勻，反應(yīng)效率不高。二是，在反應(yīng)器內(nèi)，固體顆粒在流動(dòng)過程中的劇烈碰撞摩擦，使得反應(yīng)物的顆粒

22、加速粉體化，當(dāng)噴射氣流過高時(shí)，反應(yīng)物料會(huì)被帶出反應(yīng)器，降低生產(chǎn)效率32-33。在目前已有的流化床反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，又根據(jù)新型電石生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)出一種氣流床反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)見圖如1-3所示。 氣流床反應(yīng)器的原理類似于流化床反應(yīng)器的原理。流化床的原理是床層內(nèi)的固體顆粒別上升的氣流懸浮在流體之中，使固體顆粒具有類似于流體的某些特點(diǎn)，這種流動(dòng)行為被稱為固體流態(tài)化31。本文用到的氣流床反應(yīng)器即可是從反應(yīng)器頂部進(jìn)料也可從底部進(jìn)料，從反應(yīng)器的側(cè)面噴嘴噴入氣體，使細(xì)小顆粒循環(huán)起來。流化床反應(yīng)器的有以下幾個(gè)特點(diǎn)34： （1）固體顆粒的能夠連續(xù)輸入和輸出。 （2）床層內(nèi)溫度的分布均勻，適合強(qiáng)熱的反應(yīng)過程。 （3）有利

23、于一些用于催化劑的循環(huán)利用。 （4）床層內(nèi)在反應(yīng)的同時(shí)，可以使產(chǎn)物導(dǎo)出，提高了生產(chǎn)效率。 （5）反應(yīng)器內(nèi)氣流和固體顆粒流動(dòng)很劇烈、很充分，所以氣固相間傳質(zhì)速率較高。 基于以上特點(diǎn)，流態(tài)化技術(shù)有著突出的優(yōu)點(diǎn)，本文的氣流床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)就是運(yùn)用了流態(tài)化技術(shù)。 1.2.2 氣流床反應(yīng)器的測(cè)量技術(shù) 氣流床反應(yīng)器的測(cè)量技術(shù)和流化床反應(yīng)器的測(cè)量技術(shù)類似，流化床反應(yīng)器自 20世紀(jì)中葉被發(fā)明出來以后，其發(fā)展非常迅速，由于流化床氣固結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作性能好、反應(yīng)效率高，它已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛的運(yùn)用和發(fā)展，尤其在石油化工中的作用越來越大。隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的需要，對(duì)流化床反應(yīng)器內(nèi)的氣相以及固體顆粒的分布的準(zhǔn)

24、確度和精度要求很高。通過先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，既可以對(duì)流化床的流動(dòng)性能有深入的了解，同時(shí)也促進(jìn)了測(cè)試手段的進(jìn)步和發(fā)展。反應(yīng)器內(nèi)顆粒性質(zhì)的測(cè)量方法有下面幾種： （1）顆粒直徑。對(duì)顆粒直徑的測(cè)量有很多方法，有直接測(cè)量也有間接的測(cè)量法。直接測(cè)量是根據(jù)固體顆粒的幾何尺寸進(jìn)行的，例如篩分法和顯微鏡法等等；間接測(cè)量則是先確定與固體顆粒尺寸有關(guān)性質(zhì)參數(shù)，然后用前人已經(jīng)確定的公式計(jì)算顆粒大小，如沉積法等。激光粒度分析法，它即可分析固體顆粒，也可以分析噴霧顆粒、干粉樣品、濕泥樣品，這種方法與計(jì)算機(jī)配合可使分析過程非常迅速。顯微鏡分析法：它可以通過電鏡直接掃描固體顆粒，速度快、精度較高。自動(dòng)計(jì)數(shù)器法：該方法進(jìn)行粒度的測(cè)

25、定時(shí)是通過測(cè)量顆粒對(duì)載體典型值或者載體光性質(zhì)的效應(yīng)來完成的，包括電阻變化法和光學(xué)法；電阻計(jì)數(shù)器用于快速測(cè)定電解液里的顆粒或者液滴的粒度，光學(xué)計(jì)數(shù)器是應(yīng)用光學(xué)測(cè)量原理對(duì)顆粒進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)和粒度大小測(cè)定的。圖像分析儀法：該方法可在短時(shí)間內(nèi)提供完整的粒度分布和形狀資料，可得到形狀、面積、最長尺寸、最小尺寸等。沉降法：當(dāng)被分析的固體顆粒較小時(shí)（小于 0.07 mm），此方法可以廣泛的運(yùn)用。 （2）顆粒密度。固體顆粒密度分為顆粒密度，堆積密度，真密度等。最常用的固體顆粒測(cè)試方法為浸入法，把已知質(zhì)量的顆粒放入已知容積的水中，測(cè)出顆粒的體積，顆粒密度用顆粒的質(zhì)量除以體積即可。 （3）顆粒形狀。顆粒有很多種形狀

26、，可分為以下幾種：球形，滾圓形，多角形，不規(guī)則形，粒狀形，片狀形，枝狀形等，球形是最常見的一種顆粒形狀。 氣流床反應(yīng)器中流動(dòng)性能參數(shù)的測(cè)量及分析。氣流床內(nèi)的流動(dòng)性能的測(cè)量主要是氣固兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析。具體而言，主要研究氣流床內(nèi)壓力的變化、氣體和固體顆粒在床內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度、固相濃度沿軸向及徑向的分布等。 （1）壓差的測(cè)量。壓差能直接或間接地反映出床內(nèi)固體顆粒的濃度、速度、氣泡變化的行為35。床層壓差最簡(jiǎn)單的辦法是用 U型液壓計(jì)來測(cè)量。其簡(jiǎn)單、方便、直觀，但是存在著觀察誤差大，工作效率低等缺點(diǎn)。近年來，研究人員大都采用差壓傳感器對(duì)床層壓降記性測(cè)量，差壓傳感器可以在線實(shí)時(shí)采集床層內(nèi)部壓力變化的情況，準(zhǔn)

27、確、迅速、方便，已經(jīng)被大量的運(yùn)用在相關(guān)的領(lǐng)域。 （2）氣體速度的測(cè)量。床層內(nèi)局部平均氣速的測(cè)定是以一個(gè)比較麻煩的問題，因?yàn)榇矊託饬鞔嬖诨亓鞯葐栴}。近年來，由于科技的進(jìn)步，一些高端設(shè)備被引入此領(lǐng)域來，例如采用美國 TSI 公司生產(chǎn)的 TSI-IFA300 型熱線熱膜風(fēng)速儀來測(cè)量局部氣體速度，此方法方便快捷準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是設(shè)備比較昂貴。 （3）固體顆粒濃度的測(cè)量。電容層析成像測(cè)量方法在以往的研究中被大量的運(yùn)用36。其主要的原理是，通過電容值的變化，了解床層內(nèi)固體顆粒濃度的變化情況，此方法比較復(fù)雜，難于操作。隨著科技的進(jìn)步，最近幾年光纖顆粒濃度測(cè)量方法37被不少研究人員采用。光纖測(cè)試儀存在著精度高，測(cè)試

28、速度快等優(yōu)點(diǎn)。最常見的設(shè)備是中科院過程所研制的 PC(V)-6A系列光纖測(cè)試儀，此儀器已被業(yè)內(nèi)廣泛運(yùn)用。此外，還有學(xué)者用放射技術(shù)來測(cè)量床層內(nèi)部的顆粒濃度的大小38。 （4）顆粒速度的測(cè)量。固體顆粒運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量技術(shù)主要有攝像法39、光纖速度測(cè)量系統(tǒng)、多普勒激光測(cè)速儀40等。近些年來，由于光纖技術(shù)的迅速發(fā)展及普及，光纖技術(shù)也被運(yùn)用在測(cè)量固體顆粒運(yùn)動(dòng)的速度上。由中科院過程所研制的 PC-6D型光纖測(cè)試系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用在反應(yīng)器內(nèi)部顆粒速度的測(cè)量上，此方法簡(jiǎn)單快捷，精度較高，且設(shè)備小巧靈活。1.3 本課題的研究內(nèi)容及意義 1.3.1 本實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容 本課題根據(jù)新型電石生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，首先選取淤漿鼓泡床

29、反應(yīng)器進(jìn)行初步研究。固體顆粒通過葉輪給料器被風(fēng)吹進(jìn)反應(yīng)器，液相間接進(jìn)料對(duì)電石生產(chǎn)的反應(yīng)（固+固=液氣）進(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn)。以自來水代替高溫下液態(tài) CaC2，CPVC顆粒代替 CaO。通過改變進(jìn)料氣體的表觀速度、固體濃度、對(duì)比有無內(nèi)構(gòu)和改變靜液高度來研究淤漿床反應(yīng)器內(nèi)傳遞性能的各參數(shù)變化，包括全床層平均氣含率、床層局部平均氣含率、固相含率軸向分布、大小氣泡分布。 在探索淤漿鼓泡床反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，本文又繼續(xù)探索了另一種用于電石生產(chǎn)的反應(yīng)器-氣流床反應(yīng)器。在冷態(tài)條件下，本文研究其多相流動(dòng)特性，重點(diǎn)考察和分析了床層的壓降、床層內(nèi)局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層內(nèi)固體顆粒濃度的分布規(guī)律，據(jù)此分

30、析反應(yīng)器的可行性，為新型電石反應(yīng)器的下一步研發(fā)提供借鑒。 1.3.2 本課題的意義 當(dāng)前，我國乙炔的生產(chǎn)方法主要是電弧法，此法存在耗能極大，污染高等缺點(diǎn)。本文根據(jù)電石生產(chǎn)新工藝，針對(duì)該工藝，首先選取淤漿鼓泡床反應(yīng)器進(jìn)行初步研究，相對(duì)于以前的實(shí)驗(yàn)，本課題從電石的制取方法和實(shí)驗(yàn)手段上進(jìn)行新的探索和嘗試，并且結(jié)合電石生產(chǎn)的特性和淤漿床反應(yīng)器的特性，對(duì)將淤漿床反應(yīng)器應(yīng)用于電石生產(chǎn)進(jìn)行初步研究，從嶄新的應(yīng)用角度研究多相傳遞對(duì)淤漿床反應(yīng)器反應(yīng)性能的影響。作為開發(fā)的第二步提出氣流床反應(yīng)器技術(shù)，也即在反應(yīng)器內(nèi)分區(qū)進(jìn)行炭燃燒和電石合成反應(yīng)，此反應(yīng)器分為預(yù)熱區(qū)、過渡區(qū)、反應(yīng)區(qū)三個(gè)部分，此反應(yīng)器不但能使生產(chǎn)效率提高

31、而且能夠降低能耗，減少環(huán)境污染，有很好的推廣應(yīng)用市場(chǎng)。通過對(duì)兩種反應(yīng)器的研究論證，希望為用于電石生產(chǎn)的固固接觸多相反應(yīng)器的下一步開發(fā)、設(shè)計(jì)提供借鑒，并為工業(yè)生產(chǎn)的放大和優(yōu)化提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。 二.結(jié)論 本文主要介紹了兩種用于電石生產(chǎn)的反應(yīng)器，一種是淤漿鼓泡床反應(yīng)器，另一種是氣流床反應(yīng)器。同時(shí)詳細(xì)介紹了在冷態(tài)條件下，研究兩種反應(yīng)器的流動(dòng)性能。對(duì)于鼓泡床反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)體系，在冷態(tài)條件下，重點(diǎn)考察不同操作條件和不同內(nèi)構(gòu)件的情況下床層內(nèi)氣含率、固含率及大小氣泡分布的變化規(guī)律，據(jù)此分析反應(yīng)器的可行性；與此同時(shí)對(duì)氣固床反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，考察了反應(yīng)器的全床層壓降、床層內(nèi)局部氣速沿反應(yīng)器軸向分布以及

32、其徑向分布、反應(yīng)器內(nèi)部顆粒濃度沿床層軸向及徑向的分布情況。最后，對(duì)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)的分析比較。 2.1 結(jié)論 對(duì)將淤漿鼓泡床反應(yīng)器應(yīng)用于電石的合成進(jìn)行初步探索，在此基礎(chǔ)上研究了改變操作條件：表觀氣速，靜液高度，進(jìn)料量；改變幾何參數(shù)：內(nèi)構(gòu)件形式和幾何尺寸對(duì)淤漿鼓泡床反應(yīng)器中諸如全床平均氣含率、床層局部平均氣含率、床層內(nèi)大小氣泡的分布、固含率沿軸向的分布等流體力學(xué)參數(shù)的影響，得到如下主要結(jié)論： （1）表觀氣速增大時(shí)，全床層的平均氣含率也隨著變大。在一定的靜液高度范圍內(nèi)，靜液高度對(duì)床層平均氣含率不成線性關(guān)系，靜液高度H=0.8 m 時(shí)全床層平均氣含率達(dá)到最大；當(dāng)有內(nèi)構(gòu)件時(shí)，由于內(nèi)構(gòu)件加大了氣

33、體的流速，導(dǎo)致此時(shí)的全床層平均氣含率較無內(nèi)構(gòu)件高，。 （2）表觀氣速增加時(shí)床層局部平均氣含率隨氣速的增加而增加。對(duì)于淤漿床的同一部位處，若以靜液高度為單變量，則不同靜液高度將會(huì)導(dǎo)致不同的床層局部平均氣含率，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)靜液高度 H=0.8 m 時(shí)床層局部平均氣含率最高。對(duì)開孔率相同，孔徑不同的內(nèi)構(gòu)件，在床層較低部位處，開孔直徑越大，床層局部平均氣含率越高；有內(nèi)部構(gòu)件時(shí)床層局部平均氣含率較無內(nèi)構(gòu)件時(shí)高且氣含率隨氣速變化近似呈線性關(guān)系。固體顆粒的加入減少了床層局部平均氣含率，尤其是當(dāng)固體顆粒進(jìn)料量增大、表觀氣速增大的時(shí)候這種作用變得尤為明顯。 （3）在相同的床層軸向位置處，表觀氣速越大則床層局部平均

34、氣含率越高。在不同的靜液高度下，沿床層軸向的局部平均氣含率先增加再減小，在 H=0.6 m 處達(dá)到最大值，所以在淤漿鼓泡床內(nèi)存在一個(gè)床層局部平均氣含率最大的部位，該床層部位最有利于氧熱反應(yīng)合成電石。 （4）當(dāng)氣體速度變大時(shí)，小氣泡含量逐漸增加，大氣泡含量逐漸減小；隨著靜液高度的增加，大氣泡含量均是先增大后減小，而小氣泡含量在低氣速時(shí)隨靜液高度增加，在高氣速時(shí)先增大后減??；有內(nèi)構(gòu)件時(shí)由于內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣泡的破碎作用，床層中小氣泡含量的相對(duì)較高，內(nèi)構(gòu)件孔徑越小，小氣泡含量越高。 （5）在一定的表觀氣速范圍內(nèi)，固含率在反應(yīng)器軸向分布隨表觀氣速增大趨于均勻，但是當(dāng)氣速過大反而會(huì)使固含率在軸向有較大的分布梯度，尤其是在高固體進(jìn)料量時(shí)