李红星

（中国电子工程设计院，北京100101）

目前，气升式环流反应器（air lift reactor，ALR）已在生化工程、环境工程等方面广泛应用，文献中对其流动特性也有大量研究和报道，包括气／液两相和气／液／固三相体系［1－4］以及对固体和表面活性物质作用的考察［5－7］等。对ALR这类多相接触设备而言，表征其流动特性的参数主要是床中相含率和循环速度。但是在先前的研究中，对相含率的研究多是集中在全床平均气含率或者导流筒内、外平均气含率［1－4，8］的研究，对于气含率的轴／径向分布特性报道不多［9－10］，对固相在床层中分布特性研究也很少［10－11］；有关循环速度也多是报道平均环流速度［1，2，4，9］，对局部浆（液）相循环 速 度在 床 层 中的分布特性研究不多［10，12］。本工作在较高固相浓度下，研究固含率及液体物性等对气升式环流反应器中气含率轴向分布、浆液循环速度分布以及固含率轴、径向分布等流动参数的影响。

1 实验装置和测量方法

实验所用的环流反应器装置为φ0.2×2.5m有机玻璃反应器，如图1所示。导流筒为φ0.140×0.005m的有机玻璃，高度1.5m，下沿距分布器50mm；分布器为中心进气式多孔板结构，小孔呈正三角形排布，孔径及开孔数目为φ3×36，分布板开孔率为0.81%。实验在常温、常压下进行，两相体系为空气－水及乙醇水溶液（体积分数分别为0.03%、0.10%、0.50%），后者的表面张力数据见表1；三相体系空气－水－玻璃珠，玻璃珠密度为2400kg／m3，平均粒径200.9μm；实验表观气速范围为0.027～0.135m／s，浆相中固体平均装填量分别为10%、20%和30%；液面静止高度均为1.5m。

表1 水溶液的表面张力

实验中，利用差压法［13］测取了床层截面平均气含率，在反应器轴向位置上安装了3个差压传感器，分 别 测 量0.21～0.41m、0.615～0.815m、1.015～1.215m间3个床层微分段上的差压，借以考察轴向上气含率的不均匀性。差压信号经A／D转换由计算机采集，采样频率为100Hz。采用自制背靠背Pitot管［14］测取床层局部浆（液）速。采用直接放料取样方法［15］测定局部浆相固含率。测量数据重复性检验表明，本文差压法测气含率、背靠背Pitot管测浆速以及取样法测固含率的平均相对误差分别为5.9%，4.7%和6.2%，故测量误差在可以接受的范围。

图1 实验流程

2 结果与讨论

2.1 截面平均气含率轴向分布

实验中由3个压差测量得到导流筒内、对应轴向位置0.310m、0.715m和1.115m三处的截面平均气含率。首先，图2（a）示出气液两相体系截面平均气含率的轴向分布。可见，在表观气速较高时，局部平均气含率在轴向高度0.715m处出现了中间极值，并非如鼓泡床中那样随轴向位置单调增大；杨海光等［9］也报道过类似的实验结果。图2（b）示出体系加入乙醇后的结果，可见与前述不同，此时气含率轴向分布变得相对比较平缓。对此可能的解释为：表观气速的增大促进了气泡的破裂，使得床层内某一位置处的小气泡增多；在接近导流筒顶部位置，气泡分离加快，气含率偏低；而乙醇的加入改变了体系界面性质和气泡的分散状态，故气含率分布呈现不同的趋势。

其次，实验测定了空气－水－玻璃珠三相体系导流筒内截面平均气含率的轴向分布，如图3所示。由图3可以看出：在较高固体浓度（图3（a）中对应30%）和较低固体浓度（图3（b）中对应10%）下，轴向分布趋势基本相同。在低表观气速时，气含率轴向分布趋势基本和两相体系相同；而在较高表观气速时，气含率轴向分布不存在极值，整体分布趋于均匀。

2.2 浆（液）相局部循环速度的径向分布

对气－液两相体系，考察了乙醇加入量对液相循环速度径向分布的影响，如图4所示。可见，随着乙醇的加入，液速值及其分布梯度略有降低，但其影响很小。乙醇的加入使得体系表面张力有一定降低，从而促进了气泡的破碎，小气泡增多，但对液相整体循环运动的影响并不明显。

图4 气液体系乙醇添加量对轴向循环液速的影响

王国胜等［16］在间歇床研究气－液两相体系及三相体系时，加入乙醇得出的结论为循环浆速增大。Tobajas等［17］应用能量方程理论对其进行了解释，体系黏度增加，床层内由于液体循环所消耗的的能量增加，使得液体速度降低。Freitas等［6］在环流浆态床内加入乙醇调节液相的表面张力，发现表面张力降低，对液体速度影响很小。

图5示出了固体体积分数30%时，不同表观气速下循环浆速的径向分布。可以看出：浆速随表观气速增加而增加，在较高表观气速时，浆速增势减缓；在导流筒内，中心处液速最高，壁处最低；而在下降管内，近导流筒壁处浆速最低。这是由于表观气速增大使得反应器中心区域的气流上升速度加快，浆相跟随气泡尾涡上升的速度随之变快，使得床层中整体回流加强，速度分布径向梯度增大。这与常规的气／液鼓泡床中实验结果［19］以及张同旺等的实验结论［10］一致。

图5 不同表观气速下的轴向浆速径向分布

2.3 固含率轴、径向分布

图6示出了轴向高度为H＝1.215m处导流筒内浆相固含率的径向分布。可以看出，在导流筒内，固含率在径向上呈抛物分布，靠近导流筒壁区域（r／R＝0.5～0.65）固含率较高；在环隙区域，靠近反应器外壁的固含率较高。总体上，表观气速增大使得导流筒内固含率降低，而环隙区域固含率增大。

图7示出了固体体积分数30%下，导流筒内截面平均固含率［图7（a）］和环隙外壁局部固含率［图7（b）］的轴向分布。可见，导流筒内平均固含率随床高变化不大，这与鼓泡床［20］中固含率随床高的增加而减小的结论不同；环隙中的气泡流动较小，对颗粒的夹带能力大大减弱，湍动程度也较小，环隙中的固含率在轴向上比较均匀。文献［18］得出结论，固含率一般随床层的增高而增大；张濂等［21］在连续喷动床中发现气－液－固三相系统固含率随表观气速和表观浆速的增大而逐渐趋于均匀。

图8给出了不同固体体积分数下加入乙醇对截面平均固含率轴向分布［图8（a）］以及局部固含率径向分布［图8（b）］的影响。不难看出，在同样固体体积分数（30%）下，加入乙醇后对导流筒内固含率的轴、径向分布影响不大。这与前述加入乙醇对浆（液）循环的效应是相容的，也即，虽然乙醇的加入使导流筒内的小气泡增多、气含率增大，但对浆（液）循环影响不大，故对固含率分布也没有大的影响。

3 结 论

在φ200×2500mm气升式环流反应器内，研究了空气－水两相及空气－水－玻璃珠三相体系中整体和局部气、固相含率以及浆（液）相环流分布随操作条件及液相物性的变化规律。有以下结论。

（1）两相体系导流筒中截面平均气含率轴向分布有极值，而固体和乙醇的加入使得气含率轴向分布平缓。

（2）两相体系循环液速在导流筒中径向呈抛物分布，在环隙分布较均匀，加入固体和乙醇后对循环速度影响不大。

（3）三相体系中导流筒内固含率沿轴向升高呈增大趋势，环隙内轴向分布均匀；导流筒内、外固含率径向分布均不均匀，以近壁处为大；加入乙醇后对固含率分布影响不大。

（4）对ALR中局部流动特性的考察所得结果，对进一步揭示这类反应器的局部传递特性以及提供理论模型（如计算流体力学模型）的实证数据有意义，也可供这类反应器开发和设计参考。

符号说明

H——轴向距离，m

R——反应器半径，m

r——径向距离，m

U——表观速度，m／s

u——线性速度，m／s

ε——相含率

φ——直径

下角标

av——平均

g——气相

l——液相

s——固相

sl——浆相

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