用于电石生产新型反应器的开发及流动性能研究报告 - 图文 

用于电石生产新型反应器的开发及流动性能研究

引言

随着科技的进步，工业的快速发展，对石油的需求日益的增大，同时石油的产量 的下降和价格的上升，使煤炭化工产业得到了迅速发展，电石化工也得到了重视和发 展的机遇。电石工业对我国的经济发展至关重要，在电石的生产量和消费量上我国均 是世界第一，从2009 年的产量统计数据看，西北和华北地区电石产能进一步向蒙、 等地集中，虽然如此，但是产能过剩、分散的局面仍是我国电石行业面临的基本 情况。从长远利益考虑，发展电石行业符合我国“富煤少油”的国情，如何促进我国 电石行业的健康、和谐发展值得不断探索。

当前我国的乙炔合成方法主要是电弧法或固定床法，该方法主要的利用电来加热 电弧炉，使其使石灰和焦炭融化产生反应，生产电石，此法虽然历史悠久，但是存在 高能耗、高物耗、高污染的缺点[1]。

针对电石生产的上述缺点以及电石生产中应考虑的化学反应热力学、动力学、多 相传递（包括动量、能量、质量传递）等因素，本课题旨在探索一种更加节能高效的 反应器以实现有效的化学转化。考虑到电石生产的特点为固-固多相接触反应，而且反 应器是实现有效化学转化的场所，反应的宏观性能取决于反应器的反应状态和过 程。决定反应状态和过程的因是活性位尺度的本征反应动力学过程和反应热力学性 质，外因是反应器的传递性能；反应器中、外因是耦合的，这种耦合关系决定了 反应器的宏观性能，因而是反应器工程研究的核心容。

近来，振宇等[2]提出一种新型氧热法电石生产工艺，该法直接耦合吸热的电石

生成反应和放热的炭燃烧反应，不仅提高热效率，且可提高反应中各相间的接触效率。 针对该工艺，已提出气流床反应器技术[3]，也即在反应器分区进行炭燃烧和电石合 成反应，本文将对此反应器进行初步的研究。

基于对粉状残焦和CaO的高温反应机理、焦中无机组分的作用以及氧热反应状况

下的传递行为的认识：粉状残焦和CaO为固相，高温条件下反应生成的2CaC 为液相， 反应过程中需要的2O 和产生的 CO 为气相，研究使用（固+固=液+气）这类反应类型 的优化反应器构型，因此，本文构想适用该工艺的两种反应器，一种是淤浆鼓泡床反 应器，另一种是气流床反应器。作为新型电石生产反应器开发的第一步，本文研究其 多相流动特性，也即在冷态条件下，对淤浆鼓泡床而言，主要考察操作、物性及几何 参数与物料相分布、相接触、相混合特性的关系及规律；对气流床反应器，主要考察 分析了床层的压降、床层局部气速沿轴向及径向的分布和在气固两相条件下床层固体颗粒浓度沿反应器轴向及径向的分布规律，据此分析反应器的可行性，为新型电 石反应器的研发提供借鉴和参考。

1.1 淤浆鼓泡床反应器

1.1.1 淤浆鼓泡床简介

淤浆鼓泡床反应器（Slurry Bubble Column Reactor, SBCR）是一种在工业上非常

重要的气-液-固三相反应器。它的特点是以液相为连续相，气相为分散相的，它不仅 可以进行连续的操作，还可以进行间歇式操作，连续操作时候后，气体和液体连续加 入，流动方向可以向上并流或逆流。在SBCR 部，结构简单、热容量大、燃烧强度 高、排放污染物质少且容易处理、传热强度高等优点，所以既可以用于慢热的反应又

...

可以用于强热的反应[4]。近些年来，SBCR 的应用场合包括化学及生物化工等领域[5]， 涉及诸如氧化、加氢、烷基化、聚合、Fischer-Tropsch（F-T）合成、液相甲醇合成、 废水处理、煤的直接液化等催化反应过程，也见诸非催化和生物过程[6]。 在淤浆鼓泡床中，气相以分散的气泡形式与浆相（液相+悬浮的固体颗粒）相接 触。工业实用中，液相一般作为反应物（如用于加氢场合的2H ），其表观气速可达 0.4 m/s ；液相为反应物，也可以是产物或者是惰性的（换热）介质，其表观速度在间歇 操作下为零，在连续操作下也远远小于表观气速（至少 1 个数量级）；固体多为催化 剂颗粒，特征尺寸5-150m，其在床层中的体积分率可高达 50%[6]，主要受液体以及 气泡尾涡的分散和曳带作用而处于流化状态；反应器高径比介于 2-20间，有的反应器 直径可达10 m、高30 m。图3-1例示了一个SBCR 反应器，其中，气体经预分布器 分散后连续进入床层，床层中的换热器构件用于调节或控制床层温度（如移除加氢过 程的反应热）。

取决于不用的应用环境，SBCR 的形式多种多样；基本地，可以按照操作模式和 有无构件加以分类。就操作模式而言，可以是间歇或连续操作，视液相（或浆相） 是否连续进出反应器而定。在连续模式下，操作一般为气液（浆）并流操作，实用中， 也存在逆流操作的情形，其时，液体顺重力场下行[7]，如此可增加气泡在床层中的停 留时间以及持留量。

（3）传质性能：轴向扩散系数、停留时间分布、流体-固体、流体-流体间对流传质系 数。

影响SBCR 传递性能表征参数的因素包括[8]：（1）操作条件：气/液表观速度、系 统的温度和压力、进料组成、催化剂装置和进料速率、反应器的加热/冷却速率。（2） 几何参数：反应器几何尺寸、构件形式和几何尺寸、预分布器和几何尺寸、催化剂

...

尺寸及其分布。（3）物性参数：热容、反应热、粘度、固体颗粒密度等。

由上可知影响 SBCR 传递性能（因而反应性能）的因素众多，如此多样的联系和 相互作用的交织增加了复杂性，同时也提供了改进反应器性能的多种可能性。

1.1.2 流型

（1）流型的界定：多相流虽然存在相界面，但在各相部仍可定义层流或湍流，

例如在多相流的Huler[8]模型中，但在物理上，作为非均相混合物整体，流型界定一般 是以流动的宏（表）观特征为依据的。流型的不同实际上反映了流动的在结构，因 而不同流型下反应器流动、相间质量及热量的传递等特性差异很大。多相流流型表 征的常规做法是通过改变表观气速（和/或液速），确定流型变化的随动关系，在此两 个维度上，多相流床层中可展现多种流型[9]。一般认为，在淤浆鼓泡床中的存在三种 流型：

①均匀鼓泡流：对应于低、中气速（和高液速）条件，特征是气泡尺寸小且在床 层中均匀分布，没有大尺度的液体环流。

②非均匀剧烈湍动（或聚并鼓泡）流：对应高气速（和低液速）条件，特征是（由 于聚并形成的）大、小两类气泡并存且气体在床层中分布不均匀，还存在大尺度以及 局部的液体环流。

③柱塞流：在小尺寸反应器中，容易形成柱塞状气泡或气节，柱塞流的出现限于 直径小于约0.2 m 的床层。图1-2示出了一广为引用的淤浆鼓泡床流型图[10]，其中 显示了床径的因素；可见，柱塞流的出现限于直径小于约 0.2 m 的床层。

1.1.3 相含率的分布

...

淤浆鼓泡床反应器中的相分散是非常重要的问题，相分散指的是气、液和固相三 相在床层中的分散、运动和接触状态，相应的表征参数包括相含率、气泡动力学、固 体颗粒的流化状态以及液体的流动速度等参数。相含率指单位体积床层中某相的体积 分率。SBCR 床层由气-浆（液+固）相混合物组成，据定义，各相的体积分率满足如 下归一化条件：

式中各项依次为气、液和固相的含率。 1）反应器平均气含率及其分布

气含率是淤浆鼓泡床层中非常重要的参数之一，其大小与作为分散相的气泡的大 小以及上升速度（因而滞留时间）有关，由此可以解释其随多种影响因素的变化。关 于气含率随各因素的变化关系总结如下：

1) 表观气速：在一般情况下，床层平均气含率随表观气速的增大而增大，在均 匀鼓泡区，局部气含率与气速速度成线性关系，但是在剧烈湍动流下，床层 的平均气含率与气体速度的0.35-0.68次方成正比例[11]。

2) 压力：通常来说，在高压下气泡的平均尺寸变小，因为高压下大气泡更容易 破碎，从而使气泡尺寸的分布变小，从而增加床层的气含率[12]。

3) 床体直径和静液高度：随床体直径的增大，气含率减小；当床径 cm15CD 且 高径比 50CDH 时，其影响可忽略[13]。此外，在存在大、小两类气泡的非 均匀剧烈湍动流下，床径大小主要影响大气泡的含率[14]。

4) 固含率：Sade 等人[15]报道，当固含率.%5vol 时，反应器的平均气含率与 气-液二相鼓泡床层差别不大；但 Kara[16]等人发现即使固含率较低时气含率 随固含率也有明显变化。

5) 颗粒直径：在反应器，当固体颗粒的直径非常小的时候，床层不的气含率 随着小颗粒直径的变大而变大，但是大到一定值时，床层的平均气含率随着 其小颗粒的直径而变小。颗粒直径在 44m到254m间，其影响可忽略不计 。

6) 液/浆物理性质：表面力、黏度的增加和密度的增加均会使气含率变大[ （由于更小尺寸气泡的形成）。 （2） 固相含率及其分布

固体颗粒悬浮在液体中，主要受来自液体的曳力和湍动分散、以及气泡尾涡的作 用而处于流化状态。固体颗粒操作状态可以是间歇模式（如沸腾床中的催化剂）也可 以是连续模式（如输送床或三相循环流化床）。固体颗粒在床分散、悬浮及流化状 态与反应器的传递和反应性能密切相关，因此对其定性和定量的研究一直受到研究者 重视。对固体颗粒在床层分散的描述是固相含率在床层中的轴向和径向分布。固含 率随床高由底部分布板向上逐渐减小，其径向分布中间浓度低，靠近壁面浓度高。 ①表观气/液速：固相含率随着表观速度的增大而趋于均匀，当气流速度增大时， 有更多的固体颗粒被带到床层更高的位置。 ②压力: 床层压力增大时，固颗粒分布变均匀。

③液速：在反应器，液体速度的增大使得液固二相混合均匀，所以固含率沿反 应器的分布较均匀。

④固体浓度：当床层固体颗粒浓度增大时，固相含率的分布变的均匀。 近些年来，Cova 等人 、Suganuma 和 Yamanishi提出的沉降-分散模型

（Sedimentation-Dispersion Model, SDM 模型）被广泛运用，这两种模型能较好预测淤

...

浆床反应器中固体颗粒的轴向分布。 （3）气泡动力学 在浆态鼓泡床中，气泡的形成及逃逸是一个重要的过程。气泡大小分布和上升速度直接影响到相间质量传递、相界面积和各相的停留时间，是重要的流体力学参数。

文献中研究气泡的方法多种多样，但大部分方法都基于 Krishna 等[21]提出的“大小气 泡”这种模型。所以根据此研究结果床层的气泡含率和上升速度可以分成大气泡群 和小气泡群来研究[22]。通常在研究大气泡、小气泡上升速度时，最常用的方法是动态 气体溢出法技术。动态气体逸出法技术由 Mann[23]提出，它的原理是当反应器通气阀 门突然关闭时，床层的液面会随之变化，用差压传感器采集在关闭气路时大小气泡溢 出的数据，并作出相对应的溢出曲线，根据此曲线可以分析出大气泡和小气泡的分布 规律及气含率的大小。在用于电石生产的鼓泡反应器中，液面部存在大小气泡以及 反应物颗粒，其中，分散的气泡含配料炭颗粒，作用相当于分隔的燃烧室，CaO颗粒 分散在连续的 CaC2溶体；气相中过量的炭颗粒经气液界面连续传递至液相与 CaO 颗粒接触并生成电石溶体。

1.1.4 流动特性参数的测量

（1）气含率的测定

在以往的研究中，测淤浆鼓泡床反应器中流体力学参数的测试方法有很多种，最 常用的几种方法如下：光纤探头、射线法、摄像法、差压传感器法以及动态气体溢出 法来测量反应器中的平均气含率、大小气泡分布、固含率等参数。

在不连续的操作中，一般情况下来测量全床层的平均气含率大都采用膨胀床法

[24]，其主要的手段是用目测方式，当通气的时候，记录先液面上升的最高位置 H1， 然后突然关闭气路，等液面回到初始位置时，记下液面高度 H2，全床层的平均气含率 就等于H1-H2/H2，此方法简单、快捷、容易掌握，缺点是测量值和真实值存在一定的 误差。在连续的操作方式时，通常用差压法来测量床层的局部平均气含率，用到的仪 器是差压传感器，当反应器通入气体时，差压传感器和计算机连接在一起，可以实 时在线采集到床层部压力的变化情况，根据压力的变化情况来计算出床层局部的气 含率。此方法高效、快捷、准确性高，近些年来得到了广泛的运用。

摄像法[25]是运用高速的面阵摄像头(CCD）来采集反应器的变化情况的图片， 此方法的前提是床层部的其他因素干扰少能、见度较高时，可直接的观察到床层

部气泡的运动规律。实验记录系统主要有高速 CCD、计算机和高强度的新闻灯组成， 高速CCD拍摄的相片通过计算机实时采集，高效快捷。但是也存在一定的局限性，如 果反应器反应剧烈或者反应的液固二相比较浑浊，光线差的时候，用高速的 CCD 来拍摄相片，效果很差，所以在此反应条件下，摄像法不适合运用。在气-液-固三相 的床层，高强度的新闻灯照射反应器时，光线穿过气泡和液固后在 CCD 的拍摄的 相片中会得到灰度不一样的图片，通过分析此影像来确定关于大小气泡才一些运动规 律。 近些年，随着光纤技术的成熟，光纤探针用于测量床层气泡的一些变化规律也 被广泛运用在石油化工的领域 [26]。其工作的原理是当光纤探头伸入到反应器时， 外置的传感器会发射光源，光线经过气相和液固相时，反射回来的强度有差别，这样 的变化被探针探测到，经过放大器转换为电流信号，最终经过分析可以得出想要的一 些气泡行为的技术参数。

本实验中采用床层膨胀法测定在表观气速、构件、静液高度等各种影响因素下 的全床层平均气含率；差压法测定在表观气速、构件、静液高度和固相含率等各种

...