環(huán)流式碳化反應(yīng)器的氣液環(huán)流工作研究

環(huán)流式碳化反應(yīng)器的氣液環(huán)流工作研究

長(zhǎng)期以來(lái)，純堿生產(chǎn)的碳酸化合過(guò)程中，重堿結(jié)晶的粒度較小，分離性能差，真空過(guò)濾的濾餅水量大，生產(chǎn)能力高。碳化塔成本高，輔助設(shè)備多，建設(shè)投資大，操作復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。參照國(guó)內(nèi)外環(huán)電器的結(jié)果，對(duì)該主題進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)大堿重晶，提取性能好，分離性能好的重堿結(jié)晶。使用離心分離器代替真空過(guò)濾機(jī)直接分離重堿顆粒，提高純堿的質(zhì)量，降低生產(chǎn)能量，延長(zhǎng)碳化塔的運(yùn)行周期，降低設(shè)備成本和建設(shè)投資，簡(jiǎn)化操作目標(biāo)。環(huán)流式碳化塔研究是純堿制造不冷式碳化技術(shù)研究的附屬設(shè)備研究課題,以現(xiàn)代溶液結(jié)晶過(guò)程的觀點(diǎn)以及重堿結(jié)晶為控制過(guò)程的觀點(diǎn)研究碳化塔,即按照碳酸化重堿結(jié)晶過(guò)程乃一反應(yīng)結(jié)晶過(guò)程的新概念,降低碳化塔進(jìn)液溫度,增大碳化塔進(jìn)出液當(dāng)量,以取出液顯熱增加的方式帶出全部碳化反應(yīng)熱,根除碳化塔附設(shè)冷卻器并于碳酸化過(guò)程中冷卻碳化液晶漿的諸多弊病,使重堿結(jié)晶過(guò)程在高碳化度、低晶漿濃度和不冷卻的良好條件下進(jìn)行。為了強(qiáng)化二氧化碳吸收和改善環(huán)流區(qū)段氣、固、液三相環(huán)流狀況,依據(jù)自然通風(fēng)的傘形罩原理設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單可靠并且易于工業(yè)化放大的集氣式噴嘴。1環(huán)流反應(yīng)器工作原理環(huán)流式反應(yīng)器又稱氣體提升攪拌反應(yīng)器,在冶金行業(yè)稱為“巴槽”,其特點(diǎn)為設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,適用于處理量大,腐蝕性介質(zhì)以及含有大量固體顆粒的物料。二十世紀(jì)70年代以后國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和化工院校始對(duì)環(huán)流式反應(yīng)器的氣——液傳熱傳質(zhì)以及氣固液三相流態(tài)化工程開展研究,并相繼在化工、石油化工和化工冶金行業(yè)應(yīng)用。環(huán)流反應(yīng)器工作原理見圖1。被壓縮的氣體進(jìn)入反應(yīng)器中心管后上升膨脹,釋放能量并傳遞給液體,于中心管內(nèi)一起上升,形成循環(huán)。當(dāng)中心管內(nèi)物料流速較低,相應(yīng)的雷諾數(shù)Re較小時(shí),液體主要靠充氣率的差異形成的靜壓差推動(dòng)循環(huán);而當(dāng)中心管內(nèi)物料流速或雷諾數(shù)Re較高的情況下,液體的環(huán)流主要靠反應(yīng)器底通入氣體的動(dòng)能產(chǎn)生。影響液體環(huán)流(循環(huán))量的因素很多,如通氣量(或表觀氣速),氣體上升管的內(nèi)徑,物料的固液比(或含固量、濃度)、表面張力和粘度,中心管的浸沒深度和長(zhǎng)度,進(jìn)氣壓力以及噴嘴的形式和尺寸等等。Nebrensky等的研究結(jié)果表明:影響環(huán)流量的比較顯著的因素為氣體流量和中心管直徑。中科院范正等研究得出同樣結(jié)論:除了氣體流量和中心管直徑外,其它如物料濃度、粘度,中心管浸沒深度和氣體噴嘴尺寸等因素對(duì)環(huán)流量的影響很小。2中心管含氣率與表觀氣速關(guān)系探究碳酸化重堿結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)帶有化學(xué)吸收、化學(xué)反應(yīng)和在氣固液三相流態(tài)化條件下的結(jié)晶過(guò)程。傳統(tǒng)的索爾維碳化塔之所以不能制造顆粒粗大且分離性能好的重堿結(jié)晶,除了其冷卻碳化液晶漿是一重要原因外,,溶液從塔上至塔下一次性通過(guò),以碳酸氫鈉析出速度表示的操作過(guò)飽和度過(guò)大,以及塔下段重堿結(jié)晶成長(zhǎng)的水力條件惡劣則是另外兩個(gè)主要原因。因此,基礎(chǔ)測(cè)試重點(diǎn)安排了不同中心管直徑和氣速條件下的液體環(huán)流量測(cè)定,以期通過(guò)物料的大量環(huán)流(循環(huán)),大幅度降低過(guò)程的操作過(guò)飽和度,并且可以通過(guò)碳化塔的設(shè)計(jì)有效地控制操作過(guò)飽和度。為了兼顧中心管內(nèi)二氧化碳的吸收和避免二氧化碳?xì)馀萏与x集氣式噴嘴捕集,從中心管外環(huán)隙空間上升干擾重堿結(jié)晶成長(zhǎng),考察了中心管內(nèi)含氣率與表觀氣速的關(guān)系。測(cè)定了液體最大提升高度和雙程模試塔的阻力降。2.1循環(huán)流量測(cè)定2.1.1中心管、測(cè)量介質(zhì)測(cè)定裝置略。氣體提升器:?164×1657,有機(jī)玻璃。中心管:?25×3×1027,?37×3×1030,?50×3×1023,?64×4×1032,有機(jī)玻璃。測(cè)定介質(zhì):清水;煅燒爐氣(CO280%～90%)。2.1.2表觀氣速對(duì)液體環(huán)流量的影響環(huán)流量測(cè)定結(jié)果列于表1—1～表1—4。不同中心管內(nèi)徑和表觀氣速下的液體環(huán)流量測(cè)定數(shù)值繪于圖2。液體環(huán)流量隨中心管表觀氣速的提高而增大。但當(dāng)氣速增加到一定數(shù)值后,圖2的曲線變得平坦,即隨著氣速的繼續(xù)提高,液體環(huán)流量增加不顯著。這一現(xiàn)象可解釋為隨著氣速增加,氣體傳遞給液體的能量增大,與此同時(shí),氣液兩相相對(duì)滑動(dòng)的能量損耗和與管道內(nèi)壁的摩擦阻力損失亦隨之增加的緣故。一定的表觀氣速下,液體環(huán)流量隨著中心管直徑的增大而顯著增加,這對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的碳化塔設(shè)計(jì)是非常有利的。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行二元線性回歸得液體環(huán)流量M˙(m3/h)Μ˙(m3/h)和中心管表觀氣速usg(m/s)、中心管內(nèi)徑di(m)的數(shù)學(xué)關(guān)系式:M˙=1925.8usg0.4di1.8405(1)Μ˙=1925.8usg0.4di1.8405(1)復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.996。2.2表觀氣速對(duì)中心管透氣性能的影響在環(huán)流式反應(yīng)器操作穩(wěn)定時(shí),中心管內(nèi)氣體的實(shí)際流速ug和液體的實(shí)際流速ul相等,即ug=ul中心管內(nèi)的充液率εl=1-εg中心管內(nèi)液體的表觀流速usl=ul·εl由于ug=usgεgug=usgεg所以u(píng)sl=usg(1εg?1)usl=usg(1εg-1)液體的環(huán)流量M˙=usl?AcΜ˙=usl?Ac式中:Ac—中心管截面只,m2。于是M˙=Ac?usg(1εg?1)Μ˙=Ac?usg(1εg-1)或M˙=V(1εg?1)Μ˙=V(1εg-1)式中:V—?dú)怏w流量,m3/h。即εg=VV+M˙(2)εg=VV+Μ˙(2)以表1和(2)式計(jì)算的中心管充氣率數(shù)據(jù)列于表2—1～表2—4,并繪制成圖3。中心管內(nèi)的充氣率隨表觀氣速的變化分兩個(gè)階段:第一階段,在表觀氣速較低時(shí),隨著表觀氣速增大,充氣率迅速下降,這是因?yàn)樵谶@一階段氣體膨脹所釋放的能量主要用于推動(dòng)液體循環(huán),氣液兩相相對(duì)滑動(dòng)的能量損耗和管壁的摩擦阻力損失較小,所以這階段隨著表觀氣速的增大,中心管充液率,或液體提升(環(huán)流)量增長(zhǎng)較快(圖2);第二階段,當(dāng)表觀氣速增加到一定數(shù)值后,隨著表觀氣速的提高,中心管充氣率隨之增加,但增加的幅度不大,曲線走勢(shì)比較平緩,原因是氣體膨脹所釋放的能量除了推動(dòng)液體循環(huán)外,還需要補(bǔ)償較大的兩相相對(duì)滑動(dòng)能量損耗和管道摩擦阻力損失,所以,隨著表觀氣速的進(jìn)一步增大,中心管充液率降低,圖3所示的液體提升(環(huán)流)量增長(zhǎng)緩慢。在本實(shí)驗(yàn)條件下,中心管內(nèi)徑di=19mm,偏小,阻力降過(guò)大,于表觀氣速usg≤0.1m/s范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)第一階段的現(xiàn)象。中心管內(nèi)的充氣率也與中心管的直徑有關(guān),即在一定的表觀氣速下,充氣率隨中心管內(nèi)徑的增大而增加,這是由于當(dāng)表觀氣速一定時(shí),中心管大則氣體在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù)Re大,形成的氣泡直徑大以及氣液兩相相對(duì)滑動(dòng)的能量損失大的緣故。在中心管表觀氣速0.2～1.0m/s范圍內(nèi),中心管充氣率與中心管內(nèi)徑、表觀氣速有如下數(shù)學(xué)關(guān)系式:εg=0.6877usg0.3963di0.1119(3)復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.979。2.3中心管內(nèi)側(cè)di對(duì)液體最大提升高度的影響測(cè)定結(jié)果列于表3—1～表3—4并繪成圖4。隨著中心管表觀氣速usg的提高,液體最大提升高度h隨之增大,兩者呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。中心管內(nèi)徑di對(duì)液體最大提升高度的影響不顯著。h=0.5435+0.1463lnusg(4)相關(guān)系數(shù)r=0.976。2.4中心管空氣分布的變化氣體進(jìn)入反應(yīng)器器底后上升,被集氣式噴嘴吸入、壓縮并噴射進(jìn)入中心管。實(shí)驗(yàn)者希望進(jìn)入器底的二氧化碳?xì)怏w全部被集氣式噴嘴吸入并噴射進(jìn)入中心管,以避免從中心管外的環(huán)形空間上升,干擾重堿結(jié)晶過(guò)程。環(huán)流量測(cè)定時(shí)觀察到:對(duì)于di=31mm中心管,通氣量達(dá)到2.0m3/h時(shí),中心管外開始有少量氣泡上升;di=44mm的中心管,管外環(huán)隙空間出現(xiàn)少量氣泡上升的通氣量為2.2m3/h;而對(duì)于di=56mm的中心管,環(huán)隙空間出現(xiàn)少量氣泡的通氣量可達(dá)2.7m3/h。當(dāng)通氣量繼續(xù)加大時(shí),中心管外環(huán)隙空間將有大量氣泡上升?？梢?為了使進(jìn)入反應(yīng)器底的氣體全部被集氣式噴嘴捕集并噴射進(jìn)中心管,首先是噴嘴的尺寸要設(shè)計(jì)得足夠大,其次,要適當(dāng)增大中心管的直徑,減少中心管的阻力降。噴射進(jìn)入中心管的氣體,在中心管內(nèi)呈“炮彈”形氣泡,急速旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)上升,帶動(dòng)液體在中心管內(nèi)一起上升。離開中心管頂端的“炮彈”形氣泡膨脹并分散成大量圓球形氣泡,在上部空圈形成湍動(dòng)層。大部分氣泡由液面逸散離開反應(yīng)器,小部分被環(huán)隙空間向下流動(dòng)的液體帶下,氣泡尺寸逐變小。在中等通氣量或者較小通氣量條件下,環(huán)流段中下部的環(huán)隙空間下降的液體不夾帶氣泡;但在較大通氣量時(shí),環(huán)流段下部環(huán)隙空間的液體中含有小氣泡,直至中心管下端喇叭口被吸入中心管,并入噴嘴噴射氣體形成的“炮