高料位密相环流汽提器轴、径向速率分布的研究

高料位密相环流汽提器轴、径向速率分布的研究

循环检测器是一种高效的气-电检测器，广泛应用于许多领域，如石油、生物化工、冶金、环境质量等。它综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优点,具有气含率高、传质速率快、气液混合好、结构简单等优良特性。目前文献中对环流反应器的研究多集中在气-液两相或气-液-固三相系统,对于气-固领域的研究国内外报道甚少,只有石油大学许克家曾经研究过低料位的气-固密相环流汽提器。本实验借鉴气-液环流反应器气-液高效接触的特点,进一步将其延用于气-固领域,提出了一种新型的高效汽提器——单段高料位密相环流汽提器。前文已介绍了单段高料位密相环流汽提器内部不同操作气速下密度分布的特点,从理论上推导了汽提器平均空隙率与内环表观气速的关系,根据实验结果建立了单段高料位环流汽提器内环平均空隙率与内环表观气速的半经验模型。本文将在此基础上继续对单段高料位密相环流汽提器的速率分布规律进行探讨。1实验部分1.1环流反应器环流器图1是实验装置的流程简图。空气由压缩机经缓冲罐、流量计,分3路进入环流器,一路从内环底部通入,另一路从外环的底部通入,第3路通入提升器的底部,把从环流器下来的催化剂向上提升。催化剂经提升管进入一个ϕ600mm的半圆形有机玻璃塔,在提升管出口改为向下流动,经旋流快分头喷出后,在筒体内作旋转运动从而实现气-固分离。分离出来的催化剂沿塔边壁落到开孔挡板上,接受初次的汽提。然后由中心下料管流入环流反应器内环空间的底部。在内环底部通入气体使催化剂形成密相流动。在外环底部通入少量松动气体使外环的催化剂保持流化。由于外环气量远小于内环气量,使外环的密度比内环床层的密度高,造成外环底部的压力高于内环底部的压力,从而在内、外环间形成环流流动。内环催化剂向上流动,到达内环上部的气固分离区后分离掉大部分气体,然后夹带着少量没有分离完的气泡进入外环,在外环中一边向下流动,一边脱析掉夹带的气泡,到达外环底部后,大部分催化剂循环流入内环,少量催化剂则流出环流器。通过改变内、外环床层的气速,可以调节催化剂的环流比。为了看清楚环流反应器内部的流动状况,将塔设计成半圆形,并由有机玻璃制成。实验中所采用的FCC催化剂的性质是:平均粒径65μm,堆密度834kg/m3,颗粒密度1310kg/m3。1.2光纤端面位置的测量实验中采用PV4A型光纤测速仪测定催化剂颗粒速率,PV4A型颗粒速率测量仪是一种主要用于测量气固、液固两相流动系统中颗粒物料运动速率的多相流检测仪器,在两相和三相流化床研究中被广泛应用。PV4A采用光导纤维作为测量探头,根据被测物料粒度不同,将两束或三束0.2～3mm直径的光导纤维按一定间距排列,将光源由光导纤维尾端引入到光纤前端的测量区域,光纤端面处物料的反射光再由同束光纤传回到仪器内的光电检测器,转换成与物料浓度成比例的电压信号。物料顺光纤束排列方向运动时,产生的反射信号将是形状相似,而在时间上有一定延迟的两路信号;对两路信号进行互相关运算,求出延迟时间τ,即可由V=L/τ得出物料的运动速率。同时,也可由信号的电压平均值得出物料的相对浓度或孔隙率。为确保仪器的精密测量,必须知道探头内光纤间的精确距离,因此必须要对光纤探头进行标定。将一个粘有FCC催化剂的圆盘固定在可以调节转速的电机上,开动电机并用仪器测量圆盘上催化剂的速率,由电机的转速可以求得催化剂的速率,这一速率也就是仪器测量到的速率,用这一速率乘以延迟时间τ,就可以得到光纤间的准确距离。测量时为消除误差,在每个轴向位置、径向位置处均取5个平行样,以其平均值作为该点的测量值。为了便于陈述,将导流筒沿轴向位置平均分为3部分,分别命名为下部、中部和上部,如图2所示。2表观气速对内流器发现速率的影响为测定催化剂的流动状况,实验中分别在内环表观气速为0.089～0.593m/s、外环表观气速为0.043m/s、0.087m/s变化范围内,对3个轴向位置、5个径向位置进行了密度和速率分布的测定(内环表观气速与外环表观气速分别与密度测量实验所采用的气速相同,见文献)。颗粒速率测量的轴、径向测点位置也与密度测量的布点相同,现分别讨论如下。在外环表观气速为0.043m/s的情况下,内环中部颗粒速率径向分布如图3所示。由图3可以看到,随着内环表观气速的增加,内环一定径向位置处的轴向催化剂速率呈增加的趋势,并且增加的趋势也在不断加大。当内环表观气速较低(Uf≤0.175m/s)时,内环的速率分布沿径向方向变化不大,而当内环表观气速较高(Uf>0.175m/s)时,内环速率沿径向方向呈现出中间高,边壁低的趋势,这是典型的环核结构。催化剂在单段环流器外环中部的径向密度分布如图4所示。由图4可以看出,随着径向位置的增加,催化剂轴向速率逐渐降低。这是因为催化剂在环流过程中,有一部分气体从导流筒底部由内环窜入外环,沿导流筒壁向上流动,这就使得催化剂沿径向的密度分布并不均匀,呈现出靠近反应器壁密度高,靠近导流筒壁密度低的趋势,因而速率也相应的呈现出靠近反应器壁速率低,靠近导流筒壁速率高的趋势。3求解upd的理论模型催化剂在环流器内部的环流速率定义为其在外环的下落速率。根据文献,对于气-液或气-液-固环流反应器,环流反应器内部压力的分布大致可分为4个区域:(1)导流筒以上区域,T区。大量的气泡在该区从液体中分离出去,故该区又可称作气液分离区;(2)导流筒内区域,D区。从导流筒的顶部到底部,压力基本上呈不断增加的趋势。在导流筒顶部和中部,压力总是大于环形区的压力,但在导流筒底部,由于大量气体的喷入,导流筒内的压力低于环形区的压力。(3)环形区,A区。环形区的压力变化与沿着导流筒长度方向的轴向距离大致成线性关系。(4)导流筒以下区域,B区。环流器动量衡算示意图如图5所示。由于流动原理相同,因此气-固环流反应器可以借鉴气-液和气-液-固环流反应器的区域划分方式,通过动量衡算来建立其颗粒速率模型。对B区进行动量衡算:-(ρgu2g2Ag2+ρpu2s2As2)-(ρgu2g3Ag3+ρpu2s3As3)+(ρgu2g1Ag1+ρpu2s1As1)-p2A2-p3A3+p1A1+FΝ-FB-[ρgεΒ+ρp(1-εB)]VBg=0(1)−(ρgu2g2Ag2+ρpu2s2As2)−(ρgu2g3Ag3+ρpu2s3As3)+(ρgu2g1Ag1+ρpu2s1As1)−p2A2−p3A3+p1A1+FN−FB−[ρgεB+ρp(1−εB)]VBg=0(1)对D区进行动量衡算:(ρgu2g3Ag3+ρpu2s3As3)-(ρgu2g6Ag6+ρpu2s6As6)-(ρgu2g4Ag4+ρpu2s4As4)-[ρgεD+ρp(1-εD)]VDg-[ρgεD+(1-εD)ρp]VXg-FD-F′D+p3A3-p4A4-p6A6=0(2)对T区进行动量衡算:(ρgu2g4Ag4+ρpu2s4As4)+(ρgu2g5Ag5+ρpu2s5As5)-(ρgu2g7Ag7+ρpu2s7As7)+p4A4+p5A5-p7A7-[ρgεΤ+ρp(1-εΤ)]VΤg+FΤ-F′Τ=0(3)对A区进行动量衡算:-(ρgu2g5Ag5+ρpu2s5Ag5)+(ρgu2g2Ag2+ρpu2s2As2)-ρ5A5+p2A2+FA-[ρgεA+ρp(1-εA)]VAg=0(4)将式(1)～式(4)合并,得(ρgu2g1Ag1+ρpu2s1As1)-(ρgu2g6Ag6+ρpu2s6As6)-(ρgu2g7Ag7+ρpu2s7As7)+p1A1-p6A6-p7A7-[ρgε+ρp(1-ε)]Vg+F=0(5)由于空气和催化剂密度相差悬殊,且实验条件下空隙率很小,故式(5)中可将气体项忽略不计。F也可表示为:F=(-ΔpfΤ)(π4D2c)(6)式(6)中,(-ΔpfT)是由于与壁面的作用所造成的压降。最终可得:Κ4ReΚ6p=[π8ΗDcρm(μdpρg)]-1.[(ρpu2s1As1-ρpu2s6As6-ρpu2s7As7)+p1A1-p6A6-p7A7-ρp(1-ε)Vg](7)式(7)中,Rep=dpUpdρgμ。式(7)即为计算Upd的理论模型,模型参数可由实验结果回归得到。由文献可知单段环流器内环空隙率模型:层流区UfUt=3.4Re0.81(ε31-ε)(8)湍流区UfUt=30.1ε4.2(9)式(8)中,Re=dpUfρgμ。由式(7)、式(8)、式(9),利用实验结果回归出式(7)中的模型参数K4=3758.28、K6=-0.0202,可得单段环流器颗粒环流速率的半经验模型:Re-0.0202p=13758.28[π8ΗDcρm(μdpρg)]-1⋅[(ρpu2s1As1-ρpu2s6As6-ρpu2s7As7)+p1A1-p6A6-p7A7-ρp(1-ε)Vg](10)图6为实验值与理论计算值的比较结果。显然,随着内环表观气速的增加,催化剂在环流器内的环流速率也增加,这表明在相同的停留时间内,催化剂在环流器内环流的次数增加,催化剂和新鲜蒸汽接触的时间也增加,有利于提高汽提效果。由图6可见,实验值与理论值吻合很好。4环流速率模型的确立(1)通过对单段高料位环流汽提器颗粒轴、径向速率的测量,发现随内环表观气速的增加,不同轴向位置处的颗粒速率均呈现出增加的趋势。(2)内环催化剂的轴向速率沿径向呈现出典型的环核结构。但外环催化剂的轴向速率沿径向的变化不大。(3)随着内环表观气速的增大,单段环流器的环流速率随之增大,这说明在相同的停留时间下,催化剂与新鲜蒸汽接触次数的增加,有利于提高汽提效率。(4)利用单段高料位环流汽提器的动量平衡,建立了环流速率的理论模型,由实验结果确立了模型中的两个模型参数,最终得到了单段高料位环流汽提器环流速率的半经验模型,模型的计算结果与实验结果吻合较好。符号说明Agi气体通过平面i的面积,m2Ai平面i的总面积,m2Asi固体通过平面i的面积,m2dp颗粒粒径,mDc床或导流筒的直径,mF与壁面的总作用力,NFA外环催化剂与反应器筒壁的摩擦力,NFB导流筒下方区域的摩擦力,NFD内环催化剂与导流筒壁的摩擦力,NF′D内环催化剂与下料管的摩擦力,NFN导流筒下方区域中从锥形壁面向催化剂作用的法向力的垂直分量,NFT气固分离区催化剂与环流器器壁的摩擦力,NF′T气固分离区催化剂与下料管的摩擦力,Ng重力加速度H反应器高,mK模型参数pi作用在i截面上的压力,PaΔpft床层压降,PaR内环半径R′外环半径Re雷诺数r半径ugi通过平面i的气体线速,m/susi通过平面i