鼓泡床内气体分布器设计及其对水力学的影响_张锴.pdf

'‘}.’’:一(卜第1期(总第刊期)煤化工入1(l‘》tl卜了‘)1995年2月C(一:一l(’!一Cnlic王、11一1‘It一st:·、Fd〕.1995鼓泡床内气体分布器设计及其对水力学的影响’叫一甲,啼甲鑫卜匀一八与公于、玉龙:长仃:只才沙(中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室030001-摘要本文比较了目前常用的几种分布器.通过照像法观察了三种分布器(单孔板、多孔板和烧结金属板)上的气泡形成过程.然后测定了这三种分布器的干板压降和湿板压降.并就它们对水力学条件的影响进行了考察。其结果对鼓泡床内分布器的设计具有一定的参考价值。关键词鼓泡床气体分布器气泡形态压降相含率Thegasdistribt一tordesignanditseffeet(,nthehydrodynamiesinbubhleeolumnsZhatlgKaiZhaot,10,19Zha,29iy::Zha,1913;1gYJ1洲,(Srarekev】aboraroryofCoalCo:IvezsionInsr一tuteofCoalCl:cn飞一str、:Icseea一Aolcmvoeicz,ecs丁a一、ual:ChifS03()001)straet.,:、,::、AhTllceeetsoerentgasdisrrib、]lorsox,theu。l。。haviotl:}。;:fffdiffbb[卜以i一,.」re、、l:0g。、orsoold、xl〕alo:19theodhc一r。一、rovolotonol〕r。、、、ro不):〔eo一1-flidhbghdhiifd卜},5truetionofthe只a、disrributorshavebccnobser、。dbyusingthe一)horographietcehni〔一u。。ndorcntarc.diffilps、、]rcrne一hodin:hissttjdyT卜cexpcrinlerlrshavebecneonduetedinboth.eylindrieolandtaperedbubbleeo]urnl一5e(一u一ppodwirh;hrecrypesofgasdistriburors(single...orifieeandperforatedaswcllassinrerodplare)andinrhcrhrecphasesystem(airwateror..paroffin11(luidand01:]arrzsond)Thepressuredropaero、s;hesingleorifieeplateappeorsirl..rheb一ggcst丫。lueal记theperforatedr)laresn一alle、rval:leThoavcragoga、11()ld:一pizlthobubble一一1.e〔1unlzlbottonlodbythopclforaredor51一、terodz〕loto15nluc}:higll。,tlla一:[l::、rbys:一飞910oxifze。.oate‘’ol一,:llIl:coxialdi、trib:zt一。:飞!)rofllesof90501一d、011(通ho]〔{ux〕501。〔liffort。:ld:hworpr。、、ure一,、、,。:rols.,。·、(!I()工15}1igh。:rh:::dryl;r。、、:lrodropt}1:。、ghrh。。})o℃tllr。、({i、rlil11ofrl:。x5:;1[s一.。:c。、。1locorthei,1〔{usr:10osigno05、::ibutorsillt:。u少10eoun:1blf1df9di}bbll、D注户国家自然科学基金资助项目。3 ....Keyw,一rdsbubblce()l:一n一I、gasdistributorbuloLlebe}laviotlr买)r。、s、,rcdropl一1205。卜。]dul〕和制造.但气流方向正对床层.小孔易堵引言塞.停车时固体和液体容易泄漏。:鼓泡床(或鼓泡浆态床)作为一种新型(2)填充式分布器是在多孔板和金属、、.反应器已在化学工业、煤化工、石油化工和网上间隔地铺上卵石石英砂卵石再用,...生物化工等须域得到广泛的应用.设计该金屑网丝压紧结构简单便于土法上马.类反应器的合理准则成为学术界一和工业界并具有良好的流化质量但是在操作过程.普遍关注的焦点。气体分布器是鼓泡床设中固体颗粒一旦进入填充层就很难被吹...计的重点组成部分.分布器的设计方案决出容易造成烧结长期使用后填充层有..。定了气流进入反应器的形式.由此引起特松动发生移位目前很少采用定的水力学和传递性能.进而不同程度地(3)烧结金属板分布器:现在仍处于开·.、影响到化学反应过程。所以.在具体反应器发阶段「’2二被认为是气体分布均匀初始、.设计时.必须合理地选择分布器。本文就单气泡细小流化质量较好的一种分布器但,孔板、多孔板和烧结金属板分布器的设计在少数工业性示范装置的使用中发现容,.及其对水力学的影响作了初步的探讨。易堵塞一旦堵塞就不易清除而且造价昂贵.是一种很有潜力的分布器。:2气体分布器的设计(4)喷嘴分布器一般用于对气体产品要求不严格的过程中.较多地应用于射流床、喷动床等气一固流化床煤气发生炉中。气体分布器是保证鼓泡床良好而稳定:的流化状态的重要构件.虽然它对反应器(5)管式分布器不像分布板那样兼有.的直接作用范围仅0.2~0.3m.但是它对支承的作用因而在设计时不考虑强度问题.压力降和压力波动都很小,操作弹性整个床层流态化状态却具有决定性的作..、.用。在生产过程中.常常因为分布器设计不大分布效果好但制造安装麻烦价格也.一。‘.、死区.高比较适合于大型床内使用〔合理造成沟流特别是对于强放热.反应过程.不正常的流态化会造成床层物鉴于上述情况本文对孔板分布器的料的烧结.导致生产过程无法进行。因此.设计及其对操作条件的影响作比较细致的。在设计分布器时必须考虑:论述以下几点具有均匀分布流体的作用.同时其压降又要最孔径和开孔率是孔板气体分布器设计..。;孔径一般采用1一mm小在长期操作过程中分布器不易被堵塞的主要因素s孔径.;小则加工麻烦;孔径大和磨蚀对于鼓泡浆态床还要有一个良好容易发生堵塞现象..的起始鼓泡状态。鼓泡床上所用的分布器则容易发生漏液而且气休分布不均匀有.。有单孔板、多孔板、填充式分布器和烧结金可能发生串气现象开孔率以。03%~.属板分布器、喷嘴分布器以及竹式分布器10%为宜采用较大开孔率范围的原因是:等。目l亩工业上常用的是多孔板分布器。各套用筛板塔的开孔率及限制小孔气速在射利,分布:流状态下操作器特点如下(1)孔板分布器:结构简单、易于设计气泡尺寸和分布板压降是考察分布器4 性能的两个重要参数。分布器的压:;降包括三部分干板压降.气体经小孔通过一定厚度的液层因克服初始气泡形成的表而张力压降;形成.。气体速度:气泡时的水力学压降计算方法见参考文不同可有两种状态气速较低..、。时形成离散的单个气泡;气速较高时成献〔5〕[6〕为连续的气体射流.随后射流断裂.形成大小不等的气泡。当气流通过孔口形成气泡3实验部分时.由于气泡质心上移与毛细压强减小.导.致泡内压力减小因此气体的流童可能随鼓泡床由有机玻璃制成.圆柱床的塔。.时间的变化而变化在理论分析中通常简高4.75.0.;3.m.m内径10m锥形床塔高0.:...化为两种极限情况处理孔口压降大形成、02:、、n:上下底直径分别为0010圆淮上..气泡所引起的压力脉动与之相比很小认。部与直径为020m的圆柱床相连接平均;口为常流量孔上游的贮气室比所形成的气含率、相含率轴向分布测量方法见参考.气泡的体积大得多变化的气体流出不会文献〔7〕;气泡形状由摄像法拍摄;分布器,。影响贮气室的压力此时认为常压力在鼓压降采用差压变送器测量.每次实验取样,泡床内应用高速摄影观察单孔板气泡形300次,.取实验平均值,存放在数据文件内.,成的过程发现极为复杂经分析并作合理,并计算取样的最大误差和标准偏差实验.的简化后在单孔板和孔间距较大的多孔装置和流程如图3所示。板分布器上一般认为气泡的形成经历三:、...个阶段产生阶段膨涨阶段和脱离阶段八.如图1所示;对于烧结金属板由于孔间距较小.往往发生聚并现象.结果由图2.给出包括气泡的形成、聚并和脱离分布器三个。阶段’气甲、卜】f图3实验装置和流程简图二几只只、1一转子流量计2一U型压差计3一鼓泡床产‘1几阶段膨服阶段脱离阶段等待阶段4一分布器5一差压变送器6一电流/电压转换、器7一数字电压表8一模数转换器9一图l单孔板上气泡形成过程CBM计算机10一打印机、.〕肠实验在常温常压下进行所用分布器』级』否么二馨乙列于表1。空气、水和液体石蜡、石英砂分别、、。.:为气液固三相体系空塔气速000一.,:.03Om/s平均固相浓度O%~100%..t.700、、图2烧结金属板上气泡形成过程(w)颗粒直径分别为拜m1075拼m..、。1425拼m1800拼nl 实验所用分布器编号板型孔径i板}、灼「孔率nlm{rll了飞It%八一l板().5{I一,.八2下反29.0}A一}单孔‘3板10勺{饰‘曰}3单孔板l:;世翎出律卞单孔板c烧:占金属板‘。.。6一。.。g:4实验结果与讨沦表观气速m,/s图4三种分布器上干板压降比较:一一一屯]气泡的形成过程分布器类型△一A2▲C△一B1鼓泡床内气泡在形成过程中受浮力、4.2.2表而张力、粘性力和惯性力作用。经实验观湿板压降气它在分布器上形成,l一,察可知.时不但要克服分布钻的板压降还要克分布器上气泡形成的初始尺寸随、孔径和孔口。当服由于表面张力粘性力和惯性力等的阻气速增大而增大气速极低.,时.没有足够的动能来克服分布板的压降.力压降所以气泡形成的最终压降即湿板。、6就不能形成气泡.当气速增大到一定程度压降大于干板压降图5图分别是孔板型。时.才能形成气泡。因此.气速小于某一定分布器和烧结金属板分布器的湿板压降,,.气泡大小与孔径关系不大.高气速时由此可见湿板压降比干板压降大得多特值时.、影啊明显。同时.液体的物理性质对气泡尺别是在低气速下表面张力粘性力的作用..寸也很敏感,在相似条件下,液体石蜡中的很明显气速增大干板压降所占比例就增。气泡大于水中的气泡。大鼓泡床内.气泡的尺寸随流型的变化!而变化.在均匀鼓泡区内.气泡尺寸小且随尹.气体速度增大而略有增大;在湍动区内气厂泡尺寸大并随气体速度的增大而增大的很.。Ft:、,a‘“世翎出律卞快这与km等人的结论相一致4.2分布器压降4.2.1干板压降本文对三种不同类型J洲廿一一的分布器进行了干板压降的实验。对于单丫丫一一.1孔分布器.孔径增大.干板压降降低.分布一板的厚度对干板压降几乎没有影响。对于夫m/、现气速本文所用的三种分布板.单孔板的干板压图5孔板型分布器的湿板压降.,降最大烧结金属板次之多孔板的干板压:甲一B一3.干板V一一4.干板分布器类型A.。结果示于图4B一3.液体石蜡介质.一一4.降最小O一A水介质 4.3.2分布器设计对气含率轴向分布的影响在低气速下.气含率轴向分布均匀.烧结金属板上气含率略大于多孔板上的气.:出批榨卞泄含率高气速下气含率轴向分布变的不均匀.同样条件下.烧结金属板上可获得较大的气含率且比多孔板上的气含率分布均匀。图8是圆柱床内空气一水体系的实验结果。护主40一-一刁‘毛巡叮一—上砚。之:之图6烧结金属板分布器的湿板压降泛:介质类型△一干板O一水律卞但栩衍外和矿~O一液体石蜡索共声二才二二t二几4.3l分布器设计对水力学的影响.卜一一一阅争一一门卜-一一.-一-心一一闷奋一-一--吧卜--一~“.布4.3.1分布器设计对平均气含率的影响卜~。,一洲7绘出了圆柱床锥形床内不同分布一器对平均气含率的影响。同样条件下.多孔卜_一习板和烧结金属板上的平均气含率远远大于无因次轴向距离,单孔分布器上的平均气含率这与Ostc卜图8分布器对气含率轴向分布的影响.一。2。。m;gaar、l”的结论很吻合同时图7表明不论静止床层高度、、一.、、;哪种分布器.锥形床内的平均气含率大于HKM为B2分布器1JL为C分布器:、.,、..HI0o95m/、K0o35m5圆柱。气速为J为/床内的平均气含率、.L0024:nsM为/4.3.3分布器设计对固含率轴向分布的影响笔者在文献[7〕、「10]中,曾对圆柱和丫公讲除床和锥形床内多孔板分布器上固含率轴向分布作过报迸.图9是圆柱床内不同分布器上固含率的轴问分布结果比较。由图可见烧结金属板上的固含率轴向分布比多孔板上略微均匀。丧观气乡鱼m、图7分布器对平均气含率的影响5结论睁止床层高度2.oon、;、、、一:ABCD为B2分布器、‘、一通过对三种分布器单孔板多孔板和E;:F为、4分布器、、、F‘:烧结金浦板)性能及其对水力学影啊的比八CE为空气/水两幸爪系.B、D为空气、水、石英砂三们体系:较可知单孔分布器便于研究单气泡的几.、、.、、BCF为圆柱床ADE为锥形床何形状和流动特性适合于开发阶段的理.论分析;气烧结金属板上形成的气泡小含7 率、固含率的轴向分布较均匀.但是压降大.制造复杂.是一种正在开发的新型分布参考文献一..器;多孔板分布器的结构简单设计方便l中国科学院山西煤炭化学研究所.CO‘H:浆但对相含率的轴向分布的均匀性影啊较大。因此在具体工业设计时应根据实际情态床—固定床两段法合成液体燃料模式鉴,;1990况来选用。定报告太原2周为民.石油化工.1982:21(9):607~6(29r一门l|⋯3王一平.焦庆军.胡宗定.三相流化床管式分乍⋯器的研究.第五届全国流态化会议论文集.北、上石黄哥和阿忆国叹;:京1990256一258ar.c、na一、.4FiJRDiggspargodrcaetorsCllonl叹.:一191974;?467Euoeta.o-5KJ一stageproeessoreo:1CWlTwf。卜vers;onosntessastouatytrans-}fyhighighqli2、冷portationues,1985,naeport,on-{火卜丈片女flFilRL尺)ECtraCt00204060吕10.6Praas,riensaneng,khABCLCJChmE;:199068204~210无因次轴向距离.7,,,;张错赵玉龙张碧江然料化学学报1993图9分布器对固含率轴向分布影响:静止床层高度2.oom;淤浆浓度106kg/’;21(4)400~406m.,.uuauroyaaasuise:n颗粒直径:180.如m,B一2分布器.气速8FkmMMmKYhiAJCh—n,aan,;:.EgJp1981203213240047ms;~/steraar,avaneesneeanneer-:.9ogilEgi一15,一.dKdChmi一颗粒直径07拌mB2分布器气速n,o.,eaeere.:sseor.igVl7AdmiPNwyk1980s;0096m/,..,一一颗粒直径:180.。拌m.C分布器,气速10张错赵玉龙张碧江化学反应工程与工艺;:19928(3)323~3280.o44m/s:一一一颗粒直径:107.5尸m.C分布器.气速1994一07一15)0.096m/s(收稿日期'