1、用于電石生產(chǎn)新型反應器的開發(fā)及流動性能研究 引言隨著科技的進步，工業(yè)的快速發(fā)展，對石油的需求日益的增大，同時石油的產(chǎn)量的下降和價格的上升，使煤炭化工產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，電石化工也得到了重視和發(fā)展的機遇。電石工業(yè)對我國的經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，在電石的生產(chǎn)量和消費量上我國均是世界第一，從2009 年的產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，西北和華北地區(qū)電石產(chǎn)能進一步向內(nèi)蒙、寧夏等地集中，雖然如此，但是產(chǎn)能過剩、分散的局面仍是我國電石行業(yè)面臨的基本情況。從長遠利益考慮，發(fā)展電石行業(yè)符合我國“富煤少油”的國情，如何促進我國電石行業(yè)的健康、和諧發(fā)展值得不斷探索。 當前我國的乙炔合成方法主要是電弧法或固定床法，該方法主要的利用電來

2、加熱電弧爐，使其使石灰和焦炭融化產(chǎn)生反應，生產(chǎn)電石，此法雖然歷史悠久，但是存在高能耗、高物耗、高污染的缺點1。 針對電石生產(chǎn)的上述缺點以及電石生產(chǎn)中應考慮的化學反應熱力學、動力學、多相傳遞（包括動量、能量、質(zhì)量傳遞）等因素，本課題旨在探索一種更加節(jié)能高效的反應器以實現(xiàn)有效的化學轉(zhuǎn)化?？紤]到電石生產(chǎn)的特點為固-固多相接觸反應，而且反應器是實現(xiàn)有效化學轉(zhuǎn)化的場所，反應的宏觀性能取決于反應器內(nèi)的反應狀態(tài)和過程。決定反應狀態(tài)和過程的內(nèi)因是活性位尺度的本征反應動力學過程和反應熱力學性質(zhì)，外因是反應器內(nèi)的傳遞性能；反應器中內(nèi)、外因是耦合的，這種耦合關(guān)系決定了反應器的宏觀性能，因而是反應器工程研究的核心內(nèi)容

3、。 近來，劉振宇等2提出一種新型氧熱法電石生產(chǎn)工藝，該法直接耦合吸熱的電石生成反應和放熱的炭燃燒反應，不僅提高熱效率，且可提高反應中各相間的接觸效率。針對該工藝，已提出氣流床反應器技術(shù)3，也即在反應器內(nèi)分區(qū)進行炭燃燒和電石合成反應，本文將對此反應器進行初步的研究。 基于對粉狀殘焦和CaO的高溫反應機理、焦中無機組分的作用以及氧熱反應狀況下的傳遞行為的認識：粉狀殘焦和CaO為固相，高溫條件下反應生成的2CaC 為液相，反應過程中需要的2O 和產(chǎn)生的 CO 為氣相，研究使用（固+固=液+氣）這類反應類型的優(yōu)化反應器構(gòu)型，因此，本文構(gòu)想適用該工藝的兩種反應器，一種是淤漿鼓泡床反應器，另一種是氣流床反

4、應器。作為新型電石生產(chǎn)反應器開發(fā)的第一步，本文研究其多相流動特性，也即在冷態(tài)條件下，對淤漿鼓泡床而言，主要考察操作、物性及幾何參數(shù)與物料相分布、相接觸、相混合特性的關(guān)系及規(guī)律；對氣流床反應器，主要考察分析了床層的壓降、床層內(nèi)局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層內(nèi)固體顆粒濃度沿反應器軸向及徑向的分布規(guī)律，據(jù)此分析反應器的可行性，為新型電石反應器的研發(fā)提供借鑒和參考。 1.1 淤漿鼓泡床反應器 1.1.1 淤漿鼓泡床簡介 淤漿鼓泡床反應器（Slurry Bubble Column Reactor, SBCR）是一種在工業(yè)上非常重要的氣-液-固三相反應器。它的特點是以液相為連續(xù)相，氣相為

5、分散相的，它不僅可以進行連續(xù)的操作，還可以進行間歇式操作，連續(xù)操作時候后，氣體和液體連續(xù)加入，流動方向可以向上并流或逆流。在SBCR 內(nèi)部，結(jié)構(gòu)簡單、熱容量大、燃燒強度高、排放污染物質(zhì)少且容易處理、傳熱強度高等優(yōu)點，所以既可以用于慢熱的反應又可以用于強熱的反應4。近些年來，SBCR 的應用場合包括化學及生物化工等領(lǐng)域5，涉及諸如氧化、加氫、烷基化、聚合、Fischer-Tropsch（F-T）合成、液相甲醇合成、廢水處理、煤的直接液化等催化反應過程，也見諸非催化和生物過程6。 在淤漿鼓泡床中，氣相以分散的氣泡形式與漿相（液相+懸浮的固體顆粒）相接觸。工業(yè)實用中，液相一般作為反應物（如用于加氫場

6、合的2H ），其表觀氣速可達 0.4 m/s ；液相為反應物，也可以是產(chǎn)物或者是惰性的（換熱）介質(zhì)，其表觀速度在間歇操作下為零，在連續(xù)操作下也遠遠小于表觀氣速（至少 1 個數(shù)量級）；固體多為催化劑顆粒，特征尺寸5-150mm，其在床層中的體積分率可高達 50%6，主要受液體以及氣泡尾渦的分散和曳帶作用而處于流化狀態(tài)；反應器高徑比介于 2-20間，有的反應器直徑可達10 m、高30 m。圖3-1例示了一個SBCR 反應器，其中，氣體經(jīng)預分布器分散后連續(xù)進入床層，床層中的換熱器構(gòu)件用于調(diào)節(jié)或控制床層溫度（如移除加氫過程的反應熱）。 取決于不用的應用環(huán)境，SBCR 的形式多種多樣；基本地，可以按照操

7、作模式和有無內(nèi)構(gòu)件加以分類。就操作模式而言，可以是間歇或連續(xù)操作，視液相（或漿相）是否連續(xù)進出反應器而定。在連續(xù)模式下，操作一般為氣液（漿）并流操作，實用中，也存在逆流操作的情形，其時，液體順重力場下行7，如此可增加氣泡在床層中的停留時間以及持留量。 （3）傳質(zhì)性能：軸向擴散系數(shù)、停留時間分布、流體-固體、流體-流體間對流傳質(zhì)系數(shù)。 影響SBCR 傳遞性能表征參數(shù)的因素包括8：（1）操作條件：氣/液表觀速度、系統(tǒng)的溫度和壓力、進料組成、催化劑裝置和進料速率、反應器的加熱/冷卻速率。（2）幾何參數(shù)：反應器幾何尺寸、內(nèi)構(gòu)件形式和幾何尺寸、預分布器和幾何尺寸、催化劑尺寸及其分布。（3）物性參數(shù)：熱容

8、、反應熱、粘度、固體顆粒密度等。 由上可知影響 SBCR 傳遞性能（因而反應性能）的因素眾多，如此多樣的聯(lián)系和相互作用的交織增加了復雜性，同時也提供了改進反應器性能的多種可能性。 1.1.2 流型 （1）流型的界定：多相流雖然存在相界面，但在各相內(nèi)部仍可定義層流或湍流，例如在多相流的Huler8模型中，但在物理上，作為非均相混合物整體，流型界定一般是以流動的宏（表）觀特征為依據(jù)的。流型的不同實際上反映了流動的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，因而不同流型下反應器內(nèi)流動、相間質(zhì)量及熱量的傳遞等特性差異很大。多相流流型表征的常規(guī)做法是通過改變表觀氣速（和/或液速），確定流型變化的隨動關(guān)系，在此兩個維度上，多相流床層中可展

9、現(xiàn)多種流型9。一般認為，在淤漿鼓泡床中的存在三種流型： 均勻鼓泡流：對應于低、中氣速（和高液速）條件，特征是氣泡尺寸小且在床 層中均勻分布，沒有大尺度的液體環(huán)流。 非均勻劇烈湍動（或聚并鼓泡）流：對應高氣速（和低液速）條件，特征是（由于聚并形成的）大、小兩類氣泡并存且氣體在床層中分布不均勻，還存在大尺度以及局部的液體環(huán)流。 柱塞流：在小尺寸反應器中，容易形成柱塞狀氣泡或氣節(jié)，柱塞流的出現(xiàn)限于直徑小于約0.2 m 的床層。圖1-2示出了一張廣為引用的淤漿鼓泡床流型圖10，其中顯示了床徑的因素；可見，柱塞流的出現(xiàn)限于直徑小于約 0.2 m 的床層。1.1.3 相含率的分布 淤漿鼓泡床反應器中的相分

10、散是非常重要的問題，相分散指的是氣、液和固相三相在床層中的分散、運動和接觸狀態(tài)，相應的表征參數(shù)包括相含率、氣泡動力學、固體顆粒的流化狀態(tài)以及液體的流動速度等參數(shù)。相含率指單位體積床層中某相的體積分率。SBCR 床層由氣-漿（液+固）相混合物組成，據(jù)定義，各相的體積分率滿足如下歸一化條件： 式中各項依次為氣、液和固相的含率。 1）反應器內(nèi)平均氣含率及其分布 氣含率是淤漿鼓泡床層中非常重要的參數(shù)之一，其大小與作為分散相的氣泡的大小以及上升速度（因而滯留時間）有關(guān)，由此可以解釋其隨多種影響因素的變化。關(guān)于氣含率隨各因素的變化關(guān)系總結(jié)如下： 1) 表觀氣速：在一般情況下，床層平均氣含率隨表觀氣速的增大

11、而增大，在均勻鼓泡區(qū)，局部氣含率與氣速速度成線性關(guān)系，但是在劇烈湍動流下，床層的平均氣含率與氣體速度的0.35-0.68次方成正比例11。 2) 壓力：通常來說，在高壓下氣泡的平均尺寸變小，因為高壓下大氣泡更容易破碎，從而使氣泡尺寸的分布變小，從而增加床層的氣含率12。 3) 床體直徑和靜液高度：隨床體直徑的增大，氣含率減小；當床徑 cm15CD 且高徑比 50CDH 時，其影響可忽略13。此外，在存在大、小兩類氣泡的非均勻劇烈湍動流下，床徑大小主要影響大氣泡的含率14。 4) 固含率：Sade 等人15報道，當固含率68.8 m/s時，固體顆粒濃度在床層軸向位置上先增大后減小；并且固體顆粒濃度在 H=0.4 m 時最大。 （4）反應器內(nèi)顆粒濃度在其徑向上的分布隨著噴射氣速的變大而減小。在相同氣速下，在床層中心處顆粒濃度最小，在壁面位置處顆粒濃度最大。在反應區(qū)，過渡區(qū)，預熱區(qū)，都有相同這樣一個趨勢。 （5）反應器內(nèi)不同軸向位置的固體顆粒濃度隨著固體進料速度的增大而增大，在在同一進料速度下，固體顆粒濃度沿著軸向位置的增大而減小。 （6）反應器內(nèi)固體顆粒濃度在其徑向上的分布隨著進料速的