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1、三相气升式环流反响器研究（化学工业与工程技术杂志）2014年第二期1实验部分1.1实验装置实验采用的中心气升式内环流反响器(材料为有机玻璃)内径0.09m，高2m;导流筒(材料为PVC)内径0.06m，壁厚0.0023m，高1.55m;空气分布器为圆柱形有机玻璃分布器，分布器开孔的直径0.5mm，共18个。实验流程见图1。1.2实验条件常温常压下，将瓷球(dp为4.4mm，5.9mm，p=2268.3kg/m3)、硅铝球(dp=2.6mm，p=3266kg/m3)、石英砂(dp=0.25mm，p=2650kg/m3)分别与空气、水组成三相物系。实验起始静液高1.6m，底部间隙22mm，导流筒内
2、表观气速为0.021实验的三相物系:物系瓷球空气水，物系硅铝球空气水，物系石英砂空气水。1.3实验原理1.3.1气含率和固含率的测量在气液固三相物系中，将U型压差法与直接取样法结合，测量液固两相的相对固含率(s)，即平均波幅，即相含率的相对偏差，定量描绘相含率分布的均匀程度。越小，相含率轴向分布越趋于均匀。本文设定当5%时，相含率轴向分布可视为均匀。1.3.2循环液速的测量采用电导法测量循环液速，根据连续性方程得2结果与讨论2.1上升区固含率随轴向高度增加的变化规律对于物系，表观气速4.456cm/s，不同固体装载率、不同颗粒粒径时，上升区固含率轴向分布规律见图2。由图2可见:对于物系，固定表
3、观气速、不同固体装载率、不同颗粒粒径时，上升区固含率随轴向高度的增加呈先增加后减小的趋势，中间存在极值;固含率极大值的轴向高度随固体装载率的增加而升高。由于分布器区(H30cm)内较高的系统能量使颗粒上升到轴向位置较高处，固含率沿轴向增大。随着轴向高度的增加，液相流通横截面积增大，液体线速度减小，当循环液速小于颗粒的沉降速度时，瓷球开场沉降，固含率沿轴向减小。随着固体装载率的增加，流体流动阻力增大，循环液速降低，颗粒不易上升而分布在轴向位置较低处的机率增加，导致固含率极大值所在的轴向高度增加。对于物系、物系，表观气速2.492cm/s，不同固体装载率(，%，下同)下，上升区固含率轴向分布规律见
4、图3。由图3可见:不同固体装载率时，物系中上升区固含率随轴向高度的增加而减小;物系中上升区固含率分布均匀(sr5%)。由于只要当固体颗粒的沉降速度小于循环液速时颗粒才循环运动，否则沉降。Cova提出以单颗粒在静止液体中颗粒沉降速度作为颗粒的沉降速度，本实验中硅铝球与石砂的自由沉降速度之比为412，所以固定表观气速，物系不能提供足够能量维持颗粒环流运动，使固含率沿轴向减小;而物系中颗粒均匀分布。一样轴向高度下，物系中上升区固含率较低。由于石英砂沉降速度较低，更多颗粒被携带到环隙内，导致上升区固含率不高。2.2上升区气含率随轴向高度增加的变化规律对于物系，表观气速4.456cm/s，不同固体装载率
5、、不同颗粒粒径时，上升区气含率轴向分布规律见图4。由图4可见:不同固体装载率、不同颗粒粒径时，物系中上升区气含率随轴向高度的增加而增大。由于轴向位置较低处的固含率较高，气相所占体积较小;但压力随着轴向高度的增加而降低，气泡体积逐步增大，使气含率沿轴向增大。一样固体装载率时，各轴向位置处的气含率随颗粒粒径的增大而增大，与细颗粒系统结论一样。由于大颗粒对气泡有破碎作用，并且颗粒粒径越大，在导流筒下部分布越多，流动阻力较大，气泡运动速度降低，使气含率增加。一样颗粒粒径时，各轴向位置处的上升区气含率随固体装载率的增加而增大，此结论与文献8相反。由于若颗粒粒径为几微米，颗粒增加主要导致流体混合黏度增大，
6、气泡聚并显著，大气泡数量增加，气含率降低;若粒径为几毫米颗粒，颗粒增加主要表现为固体比外表积增大，流体流动阻力增加，循环液速和气泡运动速度都降低，气含率增加。对于物系、物系，表观气速2.492cm/s，不同固体装载率下，上升区气含率轴向分布规律见图5。由图5可见:对于物系，不同固体装载率时，上升区气含率随轴向高度的增加而减小。由于随轴向高度的增加，固含率减小，流体流动阻力降低，气泡运动速度逐步加快，使气含率沿轴向减小。对于物系，当轴向高度H75cm时，上升区气含率随轴向高度的增加而增大;轴向高度H75cm时，上升区气含率减小。由于分布器区内气泡具有较高初速度，气含率沿轴向增大，但到达一定高度后
7、，均匀分布的石英砂粒径较小，固体比外表积较大，流体流动阻力较高，气泡运动速度开场降低，气含率沿轴向减小。与物系一致，物系与物系中各轴向位置处的上升区气含率随固体装载率的增加而增大。由图5还可见:物系中气含率分布随固体装载率的增大而趋于不均匀，而物系却相反。由于低气速时，气含率受颗粒影响显著。物系中固含率轴向分布随固体装载率的增加而趋于不均匀，气含率随之变化;物系中固含率均匀分布，随着颗粒增加，流体物性变化趋缓，使气含率降幅减小。23各物系中上升区循环液速受表观气速的影响当固体装载率为1%时，在物系(dp=4.4mm)、物系和物系中，上升区循环液速受表观气速影响的变化规律见图6。图6各物系中表观
8、气速对上升区循环液速的影响由图6可见:各物系中上升区循环液速随着表观气速的增大而增大。由于基于气升式环流反响器的工作原理，增大表观气速使导流筒内外密度差增大，循环液速随着驱动力的增加而增大，这与文献10的结论吻合。由图6还可见:固定表观气速，一样固体装载率下，各物系中上升区循环液速不同，即物系最高，物系次之，物系最低。由于表观气速为2.492cm/s时，由实验数据得三物系中颗粒雷诺数ep分别为2010，5238，176。ep越高，讲明物系湍流程度越剧烈，循环液速受表观气速的影响越显著且增幅越高，这也表明物系越易受表观气速的控制。3结论1)大颗粒物系中固定表观气速，随轴向高度的增加，瓷球物系中上升区固含率sr先增大后减小，上升区气含率gr增大;硅铝球物系中sr与gr均减小。2)细颗粒的石英砂物系中固定表观气速，上升区固含率sr与轴向高度无关，分布均匀;上升区气含率gr先增大后减小。3)固定表观气速，各轴向位置处的气含率随固体装载率和颗粒粒径的增大而增大。4)一样固体装载率时，各物系中上升区循环液速随表观气速的增加而增大。