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应用四通道电导探针气泡参数测量仪对气—液两相和气—液—固三相鼓泡床反应器中的流体力学行为进行了研究。分别研究了表观气速、轴向径向位置、分布器、静液高度及固含率对气泡参数的影响。
在气—液鼓泡床反应器中,随着表观气速的增加,气含率、界面积、气泡频率、上升和下降气泡速度均单调增加。气含率轴向分布都较为均匀。在安静鼓泡区,上升气泡尺寸的轴向变化不大,均在4~5mm之间;在过渡区和湍流鼓泡区,上升和下降气泡尺寸均随轴向高度的增加而减小。气泡上升速度和下降速度随轴向高度的增加均有所下降。气泡上升速度、界面积和气泡频率在鼓泡床反应器的中心处最大。气泡下降速度随径向位置的变化都比较小。开孔率和开孔的大小对气含率、气泡速度、气泡尺寸、界面积和气泡频率等都有较大的影响,而孔的排布方式对这些参数的影响很小,静液高度的影响也很小。
在气—液—固三相浆态鼓泡床反应器中,在所考察的表观气速范围内,气含率、界面积、气泡频率和气泡速度均随表观气速的增大而增大。与气—液两相体系相比,固含率10%时,气—液—固体系中的气含率轴向分布更均匀。界面积、气泡频率、气泡速度随轴向高度的增加变化较小。气含率、界面积和气泡频率的径向分布与气—液体系基本相同,也呈抛物线型。气泡下降速度随径向位置的变化都比较小。固含率较低时,对气含率的变化影响较为明显。气泡上升速度随固含率的增加变化不大。在较低固含率范围内(εs≤10%),气泡下降速度随固含率的增加略有增大;固含率大于10%时,气泡下降速度随轴向高度增加而略微下降。固含率小于 20%,界面积和气泡频率随固含率的增加明显减小,但是在固含率大于 20% 后,变化较小。高固含率使气泡分散在一个较宽的范围内,最大的气泡尺寸可以达到 19.2mm。
随着固含率和表观气速的增加,大气泡的尺寸和数量都有所增加。对数正态分布可以用来描述较低固含率下的小气泡(气泡尺寸≤10mm)的分布。大部分下降气泡小于4mm。通常,除了在表观气速为 0.010m/s 时的气—液体系中,总的气泡尺寸不符合对数正态分布。随着表观气速从0.010增加到0.064m/s,下降气泡与总气泡数的比率从10%增加到30%。无因次比半径r/g对气泡尺寸分布的影响较小。
表观气速主要影响气泡速度的大小,而固含率则主要影响气泡速度的分布。下降气泡与上升气泡的比例从反应器中心到反应器壁处逐渐增大。当表观气速大于0.064m/s,可以用实验证明并不是大气泡总是比小气泡的速度大。
应用在实验中得到的流体力学数据,建立了浆态鼓泡床甲醇合成反应器的数学模型。模拟结果显示,在1240~250℃之间有一个最佳点,当温度不在该点时,催化剂的生
产强度、出口甲醇浓度均下降。反应压力增加,催化剂的生产强度、出口混合气甲醇浓度均随之提高,提高反应压力有利于甲醇的合成。随着气体流量的增加,催化剂的生产强度随之增大,出口甲醇浓度缓慢降低。催化剂的生产强度、出口甲醇浓度随着CO含量的增大或CO2含量的减小或H2O含量的减小而增加。