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

長期以來，純堿生產(chǎn)的碳酸化合過程中，重堿結(jié)晶的粒度較小，分離性能差，真空過濾的濾餅水量大，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，難以實現(xiàn)自動化。參照國內(nèi)外環(huán)電器的結(jié)果，對該主題進行了研究，以實現(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濾機直接分離重堿顆粒，提高純堿的質(zhì)量，降低生產(chǎn)能量，延長碳化塔的運行周期，降低設(shè)備成本和建設(shè)投資，簡化操作目標。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)晶過程的觀點以及重堿結(jié)晶為控制過程的觀點研究碳化塔,即按照碳酸化重堿結(jié)晶過程乃一反應(yīng)結(jié)晶過程的新概念,降低碳化塔進液溫度,增大碳化塔進出液當量,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程中冷卻碳化液晶漿的諸多弊病,使重堿結(jié)晶過程在高碳化度、低晶漿濃度和不冷卻的良好條件下進行。為了強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)計了簡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”,其特點為設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,無機械運動部件,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70年代以后國內(nèi)一些科研機構(gòu)和化工院校始對環(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)。當中心管內(nèi)物料流速較低,相應(yīng)的雷諾數(shù)Re較小時,液體主要靠充氣率的差異形成的靜壓差推動循環(huán);而當中心管內(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度,進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)晶過程是一個帶有化學(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,以碳酸氫鈉析出速度表示的操作過飽和度過大,以及塔下段重堿結(jié)晶成長的水力條件惡劣則是另外兩個主要原因。因此,基礎(chǔ)測試重點安排了不同中心管直徑和氣速條件下的液體環(huán)流量測定,以期通過物料的大量環(huán)流(循環(huán)),大幅度降低過程的操作過飽和度,并且可以通過碳化塔的設(shè)計有效地控制操作過飽和度。為了兼顧中心管內(nèi)二氧化碳的吸收和避免二氧化碳氣泡逃離集氣式噴嘴捕集,從中心管外環(huán)隙空間上升干擾重堿結(jié)晶成長,考察了中心管內(nèi)含氣率與表觀氣速的關(guān)系。測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)流量測定2.1.1中心管、測量介質(zhì)測定裝置略。氣體提升器:?164×1657,有機玻璃。中心管:?25×3×1027,?37×3×1030,?50×3×1023,?64×4×1032,有機玻璃。測定介質(zhì):清水;煅燒爐氣(CO280%～90%)。2.1.2表觀氣速對液體環(huán)流量的影響環(huán)流量測定結(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,氣液兩相相對滑動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,這對于大規(guī)模生產(chǎn)的碳化塔設(shè)計是非常有利的。在計算機上進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,中心管內(nèi)氣體的實際流速ug和液體的實際流速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usl=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—氣體流量,m3/h。即εg=VV+M˙(2)εg=VV+Μ˙(2)以表1和(2)式計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階段:第一階段,在表觀氣速較低時,隨著表觀氣速增大,充氣率迅速下降,這是因為在這一階段氣體膨脹所釋放的能量主要用于推動液體循環(huán),氣液兩相相對滑動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)量增長較快(圖2);第二階段,當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,曲線走勢比較平緩,原因是氣體膨脹所釋放的能量除了推動液體循環(huán)外,還需要補償較大的兩相相對滑動能量損耗和管道摩擦阻力損失,所以,隨著表觀氣速的進一步增大,中心管充液率降低,圖3所示的液體提升(環(huán)流)量增長緩慢。在本實驗條件下,中心管內(nèi)徑di=19mm,偏小,阻力降過大,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,這是由于當表觀氣速一定時,中心管大則氣體在管內(nèi)運動的雷諾數(shù)Re大,形成的氣泡直徑大以及氣液兩相相對滑動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對液體最大提升高度的影響測定結(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,兩者呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。中心管內(nèi)徑di對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入反應(yīng)器器底后上升,被集氣式噴嘴吸入、壓縮并噴射進入中心管。實驗者希望進入器底的二氧化碳氣體全部被集氣式噴嘴吸入并噴射進入中心管,以避免從中心管外的環(huán)形空間上升,干擾重堿結(jié)晶過程。環(huán)流量測定時觀察到:對于di=31mm中心管,通氣量達到2.0m3/h時,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2.7m3/h。當通氣量繼續(xù)加大時,中心管外環(huán)隙空間將有大量氣泡上升。可見,為了使進入反應(yīng)器底的氣體全部被集氣式噴嘴捕集并噴射進中心管,首先是噴嘴的尺寸要設(shè)計得足夠大,其次,要適當增大中心管的直徑,減少中心管的阻力降。噴射進入中心管的氣體,在中心管內(nèi)呈“炮彈”形氣泡,急速旋轉(zhuǎn)滑動上升,帶動液體在中心管內(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,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