（化学工程专业论文）三相连续环流反应器流动特性实验研究.pdf

，flfi 0，l、 。； ，jfilifijjifif，yiil、， 学位论文数据集 1 i i i iii ii iiii ii i i h i i 1 1 1 1 l y 18 10 7 2 3 中图分类号t q 0 2 1 4学科分类号 5 3 0 2 4 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 0 2 8 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李红星学号 2 0 0 4 0 0 0 0 2 8 获学位专业名称化学工程获学位专业代码 0 8 17 0 l 课题来源 国家科委 研究方向多相流反应工程 论文题目三相连续环流反应器流动特性研究 关键词 环流反应器，三相床，导流筒，气含率，循环浆速，固含率轴径向分布 论文答辩日期 2 0 0 7 5 论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师刘辉 教授 北京化工大学化学工程 评阅人i 史士东教授煤炭科学研究总院煤炭化工 评阅人2 李成岳教授北京化工大学化学工程 评阅入3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席史士东教授 煤炭科学研究总院 煤炭化工 答辩委员i李成岳教授北京化工大学化学工程 答辩委员2李建伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 冱：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在【中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码申查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 一lt 北京化工大学硕士研究生学位论文 三相连续环流反应器流动特性实验研究 摘要 煤直接液化技术是解决我国能源短缺的重要途径之一；我国自美国引 进的煤直接液化工艺核心设备两段强制循环悬浮床反应器在运 行中存有缺陷，因此，研究无需可动机械部件而实现浆相内循环的连续三 相环流反应器具有重要意义。 本文研究连续环流三相反应器的流动特性，以期为这类反应器的放 大、设计和操作提供基础依据，这对于煤直接液化工艺的应用也具有重要 的指导意义。 本文在同心内置多0 1 4 x 1 5 m 导流筒的多0 2 2 5 m 有机玻璃环流反 应器中，以空气和水为气、液相，玻璃珠为固相，实验测定了三相连续环 流反应器的流动特性参数，如相含率和环流速度等；实验考察了中心进气 模式下连续环流反应器流动特性参数平均气含率、截面平均气含率、循环 浆液速和固含率等随操作条件和液相表面张力的变化规律；实验还考察 了环隙进气模式下连续环流反应器流动参数平均气含率、截面平均气含 率、循环浆液速和固含率等随操作条件的变化规律，并对两种进气模式进 行了简单对比；此外还依据动量平衡推导了三相连续环流反应器流动参数 计算模型。 关键词：环流反应器，三相床，导流筒，气含率，循环浆速，固含率， 轴、径向分布 北京化工大学硕十研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nf l o wc h a r a c t e r i s t i c s o ft h r e e - p h a s ec o n t i n u o u s l o o pr e a c t o r a b s t r a ct t h ed i r e c tc o a l l i q u e f a c t i o nt e c h n o l o g yh a sp a r t i c u l a r l ys t r a t e g i ca n d r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o rt h ee n e r g ys e c u r i t yo f c h i n a m u l t i p h a s el o o pr e a c t o r s ， i nw h i c ht h el i q u i di sc i r c u l a t e dm a i n l yd u et ot h ed e n s i t yd i f f e r e n c eb e t w e e n t h er i s e ra n dd o w n c o m e rb u tn o td r i v e n b ya ne x p e n s i v ea n dc o m p l e x c i r c u l a t i o np u m p ，p r e s e n tal o to fa d v a n t a g e sf o rt h ec o a ld i r e c tl i q u e f a c t i o n t e c h n o l o g y a saf i r s ts t e pt oi n d u s t r i a l i z et h i sf o c u s i n gc o a ll i q u e f a c t i o nt e c h n o l o g y , i t i se s s e n t i a lt os t u d yt h em u l t i p h a s et r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sn e w t y p e r e a c t o r i nt h i s p a p e r , f l o wp a r a m e t e r s ，s u c ha sp h a s eh o l d u p sa n ds l u r r y c i r c u l a t i o n v e l o c i t y , o fat h r e e p h a s ec o n t i n u o u sl o o pr e a c t o rw i t ha c o n c e n t r i cd r a f tt u b ew e r em e a s u r e de x p e r i m e n t a l l y ，w i t hg l a s sb e a d sa ss o l i d p h a s e ，a i ra sg a sp h a s ea n dt a pw a t e ra sl i q u i dp h a s e ，r e s p e c t i v e l y d i f f e r e n t o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , s u p e r f i c i a ls l u r r y f e e d i n gv e l o c i t y , i n l e ts o l i dl o a d i n g ，s o l i dp a r t i c l ed i a m e t e r , l i q u i ds u r f a c e i n t e n s i o na n dg a sa e r a t i o nm o d e s ，w e r ea d o p t e dt od e m o n s t r a t et h e i re f f e c t s ，0；l 北京化工大学硕士研究生学位论文 o nt h el o c a ld i s t r i b u t i o n so fg a sa n ds o l i dh o l du p sa n di n t e r n a lc i r c u l a t i o n s l u r r yv e l o c i t i e s f u r t h e r m o r e ，af l o wm o d e lw a sd e v e l o p e d f o rp r e d i c t i n gt h e f l o wp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：l o o pr e a c t o r ，t h r e ep h a s eb e d ，d r a f tt u b e ，g a sh o l d u p ，s o l i d h o l d u p ，c i r c u l a t i o ns l u r r yv e l o c i t y ，a x i a l r a d i a ld i s t r i b u t i o n i i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论1 弓i 言1 1 1 多相环流反应器流动性能研究2 1 1 1 流型2 1 1 2 气含率3 1 1 3 循环液浆速7 1 1 4 固含率9 1 2 多相流动参数测量9 1 2 1 气含率9 1 2 2 固含率1 0 1 2 3 循环液速l0 1 3 环流反应器流动模型11 1 4 本课题研究的意义和内容13 1 4 1 课题研究意义l3 1 4 2 课题研究内容l3 第二章实验装置与测试技术。1 4 2 1 实验流程与装置1 4 2 2 实验体系与实验条件1 4 2 3 实验测试项目及测试点位置分布16 2 4 流动参数测量技术1 7 2 4 1 气含率一1 7 2 4 2 局部浆液速度18 2 4 3 轴、径向固含率1 9 2 5 数据采集系统2 0 2 6 j 、l ； i ：! ( ) 第三章中心进气三相连续环流反应器流动特性。2 l i v 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 1 全床平均气含率2 1 3 1 1 表观气速的影响2 l 3 1 2 表观浆速的影响2 1 3 1 3 平均固含率的影响2 2 3 1 4 乙醇的影响2 3 3 2 截面平均气含率2 3 3 2 1 导流筒内气含率轴向分布2 3 3 2 2 环隙内气含率轴向分布2 5 3 2 3 表观气速的影响2 5 3 2 4 表观浆速的影响2 6 3 2 5 平均固含率的影响2 7 3 2 6 乙醇加入量的影响2 8 3 2 7 导流筒内、外气含率对比2 8 3 3 局部浆液相速度分布2 9 3 3 1 表观气速的影响2 9 3 3 2 表观浆速的影响3 0 3 3 3 平均固含率的影响3 1 3 3 4 乙醇加入量的影响3 l 3 3 5 浆液循环强度3 2 3 4 固含率一3 3 3 4 1 固含率轴向分布3 3 3 4 1 固含率径向分布3 5 3 5 小结3 8 第四章环隙进气三相连续环流反应器流动特性。4 0 4 1 平均气含率4 0 4 1 1 表观气速的影幌4 0 4 1 2 表观浆速的影响4 0 4 1 3 平均固含率的影响4 1 4 2 截面平均气含率4 2 4 2 1 环隙内气含率轴向分布4 2 4 2 2 导流筒内气含率轴向分布4 3 4 2 3 表观气速的影响4 4 4 2 4 表观浆速的影响4 7 v 北京化工大学硕士研究生学位论文 4 2 5 平均固含率的影响4 7 4 2 6 导流筒内与环隙内气含率的比较4 7 4 3 局部浆液速度径向分布4 8 4 3 1 表观气速的影响4 8 4 3 2 表观浆速的影响。4 9 4 3 3 平均固含率的影响4 9 4 4 固含率轴、径向分布5 0 4 4 1 固含率轴向分布5 0 4 4 2 径向分布5l 4 5 两种进气模式对比5 2 4 5 1 平均气含率对比。5 2 4 5 2 截面平均气含率对比- 。5 3 4 5 3 循环浆液速对比5 6 4 6 ，j 、l 右5 8 第五章三相连续环流反应器流动模型。6 0 5 1 流动模型6 0 5 1 1 基本假设6 0 5 1 2 模型推导6 0 5 2 中心进气模式下模型验证一6 2 5 2 1 模型参数取值6 2 5 2 2 下降管浆速6 3 5 2 3 上升管气含率6 4 5 3 环隙进气模式下模型验证6 5 5 3 1 模型参数取值6 5 5 3 2 下降管浆速6 6 5 3 3 上升管气含率z 6 6 5 4 j 、l 右( ；7 第六章结论6 8 参考文献7 0 致谢。7 4 v i 北京化工大学硕十研究生学位论文 研究成果及发表的学术论文7 5 作者与导师简介。7 6 v i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 co n t e n t s c h a p t e ri i n t r o d u c t i o n 1 f o r e w o r d i 1 ib r i e f o f h y d r o d y n a m i c si nm u l t i p h a s el o o pr e a c t o r 2 1 1 1f l o wr e g i m e 2 1 1 2g a sh o l d u p 3 1 1 。3c i r c u l a t i o ns l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 7 1 1 4s o l i dh o l d u p 9 1 2m e a s u r e m e n t so f h y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r s 9 1 2 1g a sh o l d u p 9 1 。2 2s o l i dh o l d u p 1 0 1 2 3c i r c u l a t i o ns l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 10 1 3l o o pr e a c t o rf l o wm o d e l 11 1 4s i g n i f i c a n c ea n dp u r p o s eo f t h i ss t u d y ”1 3 1 4 。1s i g n i f i c a n c ea n dp u r p o s eo ft h i ss t u d y “13 1 4 2p u r p o s eo f t h i ss t u d y 1 3 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a l s e t u pa n d m e a s u r e m e n tm e t h o d s00000000000000000000001 4 2 1e x p e r i m e n t a ls e t u pa n dp r o c e s s 14 2 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dc o n d i t i o n s 1 4 2 3m e a s u r i n gi t e m sa n dt h ep o r t sd i s t r i b u t i o n 16 2 4m e a s u r e m e n tm e t h o do f h y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r s 17 2 4 1g a sh o l d u p 17 2 4 2c i r c u l a t i o ns l u r r y 1 i q u i dv e l o c i t y 18 2 4 3a x i a la n dr a d i a ld i s t r i b u t i o n so f s o l i dh o l d u p 1 9 2 5s i g n a lc o l l e c t i n gs y s t e m 2 0 、 2 6s u m m a r y 2 0 c h a p t e r3h y d r o d y n a m i c s i nt h ec e n t e ra e r a t i o nm o d e 21 3 1o v e r a l la v e r a g eg a sh o l d u p 一2 1 v i i i 广 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 1 1e f f e c to f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 2 1 3 1 2e f f e c to f s u p e r f i c i a ls l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 2 1 3 1 3e f f e c to f s o l i dh o l d u p 2 1 3 1 4e f f e c to f e t h a n 0 1a d d i t i o n 。2 2 3 2s e c t i o n a la v e r a g eg a sh o l d u p 2 3 3 2 1a x i a ld i s t r i b u t i o no fg a sh o l d u pi nd r a f tt u b e 2 3 3 2 2a x i a ld i s t r i b u t i o no f g a sh o l d u pi na n n u l u s 2 5 3 2 3e f f e c to f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 2 5 3 2 4e f f e c to fs u p e r f i c i a ls l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 2 6 3 2 5e f f e c to fs o l i dh o l d u p 2 7 3 2 6e f f e c to fe t h a n 0 1a d d i t i o n 2 8 3 2 7c o m p a r i s o no f g a sh o l d u p sb e t w e e nr i s e ra n dd o w n c o m e r 2 8 3 3l o c a ls l u r r y - l i q u i dv e l o c i t ya n di t sr a d i a ld i s t r i b u t i o n 2 9 3 3 1e f f e c to f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 2 9 3 3 2e f f e c to fs u p e r f i c i a ls l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 3 0 3 3 3e f f e c to f s o l i dh o l d u p 31 3 3 4e f f e c to fe t h a n o la d d i t i o n 31 3 3 5c i r c u l a t i o ni n t e n s i t y 3 2 3 4s o l i dh o l d u p 3 3 3 4 1a x i a ld i s t r i b u t i o no f s o l i dh o l d u p 3 3 3 4 1r a d i a ld i s t i l b u t i o no f s o l i dh o l d u p 3 5 3 5s u m m a r y 3 8 c h a p t e r4h y d r o d y n a m i c s i nt h ea n n u l u sa e r a t i o nm o d e 4 0 4 1o v e r a l la v e r a g eg a sh o l d u p 4 0 4 1 1e f f e c to fs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 4 0 4 1 2e f f e c to fs u p e r f i c i a ls l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 4 0 4 1 3e f f e c to f s o l i dh o l d u p 4 1 4 2s e c t i o n a la v e r a g eg a sh o l d u p 4 2 4 2 1a x i a ld i s t r i b u t i o no fg a sh o l d u pi na n n u l u s 4 2 4 2 2a x i a ld i s t r i b u t i o no fg a sh o l d u pi nd r a f tt u b e 4 3 4 2 3e f f e c to fs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 4 4 4 2 4e f f e c to fs u p e r f i c i a ls l u r r y l i q u i dv e l o c i t y 4 7 4 2 5e f f e c to fs o l i dh o l d u p 4 7 i ) ( 北京化工大学硕十研究生学位论文 4 2 6 ( 1 f m l p _ 一s o no f g a sh o l d u p sb e t w e e nr i s e ra n dd o w n c o m e r 4 7 4 3l o c a ls l u r r y l i q u i dv e l o c i t ya n di t sr a d i a ld i s t r i b u t i o n 4 8 4 3 ie l i e c to t s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 4 8 4 ，3 2e i y e c to fs u p e r f i c i a ls l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 4 9 4 3 3l ! f 隐c o fs o l i dh o l d u p 4 9 ；4s o li dh o l d u p 5 0 4 4 。1a xa ld i s t r i b u t i o no fs o l i dh o l d u p 5 0 。 4 ，4 2r a d i a ld i s t r i b u t i o no f s o l i dh o l d u p 5 1 4 5c o m p a r i s o no f t w oo p e r a t i o nm o d e s 5 2 4 5 i 、。c f a g eg a sh o l d u p 5 2 4 ，5 2s e , m , m a la v e r a g eg a sh o l d u p 5 3 4 5 3c t r c u l a t i o ns l u r r y - l i q u i dv e l o c i t y 5 6 4 6s u m m a r y 5 8 【1 ha p l e r5l l y d r o d y n a m i cm o d e lw i t ht h r e e p h a s e sc o n t i n u o u s 。6 0 5 i i t 、，d i o d y n a m i cm o d e l 6 0 ：；j f a 、i 。h ) p e a h e s i s 6 0 5 1 2m t , d c li n d u c t i o n 6 0 5 2 t i d e jc o n f i r m a t i o ni nt h ec e n t e ra e r a t i o nm o d e 一6 2 s 2 。ij a i a m e t e re s t i m a t i o n 6 2 5 2 2j , i u r t y l i q u i dv e l o c i t yi nd o w n c o m e r 6 3 5 2 3f j a bh o l d u pi nr i s e r 6 4 5 3 j i ) d e jc o n f i r m a t i o ni nt h ea n n u l u sa e r a t i o nm o d e 6 5 5 ，3 ! p a r a m e t e re s t i m a t i o n 6 5 5 3 2 $ i a n y l i q u i dv e l o c i t yi nd o w n c o m e r 6 6 5 33g a s h o l d u pi nr i s e r 6 6 s j ：s l l m i j a 巧6 7 c h a p t e ，46c o n c l u s i o n s 6 8 r e f e f e n c e s 7 0 a c k n o w l e d g m e n t s 7 4 p u b l i c a t i o n s 7 5 x ， 北京化丁大学硕十研究生学位论文 符号说明 反应器上升管面积，m 2 反应器下降管面积，m 2 模型常数 模型常数 模型常数 模型常数 反应器直径，m 特征系数 重力加速度，m s 2 起自分布板的轴向距离，m 导流筒高度，m 静液层高度，m 床层高度，m 摩擦系数 反应器上升管和下降管截面积之比 取样浆体质量，k g 差压，p a 反应器半径，m 自反应器轴心起算的径向距离，m 循环强度 时间，s 表观气体速度，m s d 表观液体速度，m s 。1 表观浆液速度，m s 。 液体线速度，m s 以 气泡群上升速度，m s d 取样浆液总体积，m 3 浆液线速度，m s 。 4 山 口6 c j d p g胁见历母m 廿r ，s ，饥玩如巧 北京化工大学硕士研究生学位论文 希腊字母 a 毛 l 乞 p i p s 慈 伊 盯 下标 a v b b d e f g r h l p s s l t 气含率常数 气含率，m 3 气体m 3 混合物 液含率，m 3 液体m 3 混合物 固分率，m 3 固体m 3 混合物 液相密度，k g m - 3 固相密度k g m 3 浆液中固体体积分率 直径，m 液体表面张力，n m o 液体粘度，p a s 平均 气泡 底部 下降管 有效 摩擦因子 气相 上升管 拟均相 液相 固体粒子 固相或滑移 浆相 终端 x i i 北京化工大学硕+ 研究生学位论文 引言 第一章绪论 能源、环境问题是制约经济社会发展的重大问题，石油作为重要战略物资，关系 到一个国家的经济和国防安全，各国都极力保障有充足的能源供应。尤其在当前，石 油供需矛盾依然突出，危机也依旧存在n 2 1 。鉴于我国贫油富煤的基本能源结构，煤炭 液化技术是解决能源环境问题的出路之一。自2 0 世纪初开始，煤炭液化技术丌始得 到较快的发展。1 9 1 3 年，德国人布吉乌斯率先研究了煤的高压加氢液化工艺，奠定了 煤直接液化的基础。二战期间，德国出于军事需要，实现大规模工业化生产；南非则 由于政治原因发展间接液化技术1 。2 0 世纪5 0 年代后期，由于中东地区大量廉价石 油的开采，使得煤炭直接液化技术在经济上失去了竞争力。1 9 7 3 年出现能源危机，石 油价格暴涨，德、美、日等主要工业发达国家，相继加大了资金投入，开展了大规模 的基础研究和工程试验，并相继开发了煤炭直接液化新工艺h 1 。 现在世界上比较先进的煤炭直接液化工艺主要有德国煤液化精制联合工艺 i g o r 工艺、美国h t i 催化两段煤直接液化工艺技术和日本的n e d o l 工艺等p 7 1 。 这些新的液化工艺具有反应条件温和，油收率高和油价相对低廉的特点。我国自1 9 7 8 年重新开展煤直接液化技术研究，经过近2 0 年的努力，我国已建成具有先进水平的 煤直接液化、油品提质加工和分析检验实验室，选出了1 5 种适合于液化的中国煤， 进行了煤直接液化的工艺条件研究，开发了高活性的煤直接液化催化剂。 煤炭直接液化是在高压、高温条件下进行的气液一固多相放热反应，大型直接液 反应器是数百立方米、上千吨重的高压容器，属于高压下的多相浆态床反应器，是煤 炭直接液化的核心设备，目前我国尚未掌握并真正解决煤炭直接液化的工程放大问 题。我国神华集团采用的两段强制循环悬浮床反应器已经进行了6t d 的p d u ( 工 艺开发单元p r o c e s sd e v e l o p m e n tu n i t ) 试运转陋9 1 。上述高温、高压工艺中，引进的 技术是美国强制循环悬浮床反应器，为实现浆相连续循环继而提高固体停留时间和转 化率，要采用昂贵的强制循环泵，而这种循环泵操作条件十分苛刻，由于机械故障等 原因，这很有可能成为此试验装置长期稳定运行的瓶颈。 因此，针对煤炭直接液化新工艺开发和大规模工程化的急需，解决煤液化反应器 和相关高压多相体系的反应工程学涉及的关键科学问题，揭示煤液化新型环流反应器 流体力学和传递的基本规律，建立煤液化反应器的整体数学模型，为分级加氢液化工 艺的创新和新型反应器的工程设计放大提供科学依据，开展煤炭直接液化基础研究意 义重大。 新工艺拟采用一种新型环流反应器，即内置导流筒、无强制循环泵而实现浆相内 循环的三相连续环流反应器( c o n t i n u o u sl o o pr e a c t o r , c l r ) 。它同样具备气升式环流 北京化工大学硕七研究生学位论文 反应器( a i r - l i f tl o o pr e a c t o r , a l r ) 的优良性能，具有结构简单、无机械传动部件、 易密封、相间接触面积大、传质和传热速率高、操作简单等特点，而后者已在生化工 程、环境工程等方面广泛应用，但这种内环流反应器在煤炭液化领域还没有应用先例。 为了使这种反应器能大规模的应用于煤炭直接液化，实现技术创新，必须对此类 反应器中的流动等传递规律进行深入的研究，为其工程设计和放大以及丌发这类适合 煤直接液化的高效反应器新构型提供基础依据。 本文将研究三相c l r 的流动性能，考察分布板为中心进气及环隙进气两种