用于電石生產(chǎn)新型反應(yīng)器的開發(fā)及流動性能研究報告

1、-. z用于電石生產(chǎn)新型反響器的開發(fā)及流動性能研究引言隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)的快速開展，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)得到了迅速開展，電石化工也得到了重視和發(fā)展的機(jī)遇。電石工業(yè)對我國的經(jīng)濟(jì)開展至關(guān)重要，在電石的生產(chǎn)量和消費(fèi)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(jìn)一步向蒙、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)面臨的根本情況。從長遠(yuǎn)利益考慮，開展電石行業(yè)符合我國富煤少油的國情，如何促進(jìn)我國電石行業(yè)的安康、和諧開展值得不斷探索。 當(dāng)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加熱

2、電弧爐，使其使石灰和焦炭融化產(chǎn)生反響，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(diǎn)1。 針對電石生產(chǎn)的上述缺點(diǎn)以及電石生產(chǎn)中應(yīng)考慮的化學(xué)反響熱力學(xué)、動力學(xué)、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)能高效的反響器以實(shí)現(xiàn)有效的化學(xué)轉(zhuǎn)化?？紤]到電石生產(chǎn)的特點(diǎn)為固-固多相接觸反響，而且反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)有效化學(xué)轉(zhuǎn)化的場所，反響的宏觀性能取決于反響器的反響狀態(tài)和過程。決定反響狀態(tài)和過程的因是活性位尺度的本征反響動力學(xué)過程和反響熱力學(xué)性質(zhì)，外因是反響器的傳遞性能；反響器中、外因是耦合的，這種耦合關(guān)系決定了反響器的宏觀性能，因而是反響器工程研究的核心容。 近來，振宇等2

3、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響和放熱的炭燃燒反響，不僅提高熱效率，且可提高反響中各相間的接觸效率。針對該工藝，已提出氣流床反響器技術(shù)3，也即在反響器分區(qū)進(jìn)展炭燃燒和電石合成反響，本文將對此反響器進(jìn)展初步的研究。 基于對粉狀殘焦和CaO的高溫反響機(jī)理、焦中無機(jī)組分的作用以及氧熱反響狀況下的傳遞行為的認(rèn)識：粉狀殘焦和CaO為固相，高溫條件下反響生成的2CaC 為液相，反響過程中需要的2O 和產(chǎn)生的 CO 為氣相，研究使用固+固=液+氣這類反響類型的優(yōu)化反響器構(gòu)型，因此，本文設(shè)想適用該工藝的兩種反響器，一種是淤漿鼓泡床反應(yīng)器，另一種是氣流床反響器。作為新型電石生產(chǎn)反響

4、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；對氣流床反響器，主要考察分析了床層的壓降、床層局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層固體顆粒濃度沿反響器軸向及徑向的分布規(guī)律，據(jù)此分析反響器的可行性，為新型電石反響器的研發(fā)提供借鑒和參考。 1.1 淤漿鼓泡床反響器1.1.1 淤漿鼓泡床簡介 淤漿鼓泡床反響器Slurry Bubble Column Reactor, SBCR是一種在工業(yè)上非常重要的氣-液-固三相反響器。它的特點(diǎn)是以液相為連續(xù)相，氣相為分散相的，它不僅可以進(jìn)展連續(xù)的操作，

5、還可以進(jìn)展間歇式操作，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 部，構(gòu)造簡單、熱容量大、燃燒強(qiáng)度高、排放污染物質(zhì)少且容易處理、傳熱強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，所以既可以用于慢熱的反響又可以用于強(qiáng)熱的反響4。近些年來，SBCR 的應(yīng)用場合包括化學(xué)及生物化工等領(lǐng)域5，涉及諸如氧化、加氫、烷基化、聚合、Fischer-TropschF-T合成、液相甲醇合成、廢水處理、煤的直接液化等催化反響過程，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(shí)用中，液相一般作為反響物如用于加氫場合的2H ，其表觀氣速可達(dá) 0.4 m/s ；液

6、相為反響物，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(yuǎn)遠(yuǎn)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5-150m，其在床層中的體積分率可高達(dá) 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)；反響器高徑比介于 2-20間，有的反響器直徑可達(dá)10 m、高30 m。圖3-1例示了一個SBCR 反響器，其中，氣體經(jīng)預(yù)分布器分散后連續(xù)進(jìn)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響熱。 取決于不用的應(yīng)用環(huán)境，SBCR 的形式多種多樣；根本地，可以按照操作模式和有無構(gòu)件加以分類。就操作模式而言，可以是間歇或連續(xù)操作，

7、視液相或漿相是否連續(xù)進(jìn)出反響器而定。在連續(xù)模式下，操作一般為氣液漿并流操作，實(shí)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(kuò)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(jìn)料組成、催化劑裝置和進(jìn)料速率、反響器的加熱/冷卻速率。2幾何參數(shù)：反響器幾何尺寸、構(gòu)件形式和幾何尺寸、預(yù)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、反響熱、粘度、固體顆粒密度等。 由上可知影響 SBCR 傳遞性能因而反響性能的因素眾多，如

8、此多樣的聯(lián)系和相互作用的交織增加了復(fù)雜性，同時也提供了改良反響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(shí)際上反映了流動的在構(gòu)造，因而不同流型下反響器流動、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，多相流床層中可展現(xiàn)多種流型9。一般認(rèn)為，在淤漿鼓泡床中的存在三種流型： 均勻鼓泡流：對應(yīng)于低、中氣速和高液速條件，特征是氣泡尺寸小且

9、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(yīng)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：在小尺寸反響器中，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響器中的相分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(yùn)動和接觸狀態(tài)，相應(yīng)的表征參數(shù)包括相含率、氣泡動力學(xué)、固體顆粒的流化狀態(tài)

10、以及液體的流動速度等參數(shù)。相含率指單位體積床層中*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(xiàng)依次為氣、液和固相的含率。 1反響器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

11、力：通常來說，在高壓下氣泡的平均尺寸變小，因?yàn)楦邏合麓髿馀莞菀灼扑?，從而使氣泡尺寸的分布變小，從而增加床層的氣含?2。 3) 床體直徑和靜液高度：隨床體直徑的增大，氣含率減??；當(dāng)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(dāng)固含率.%5vol 時，反響器的平均氣含率與氣-液二相鼓泡床層差異不大；但 Kara16等人發(fā)現(xiàn)即使固含率較低時氣含率隨固含率也有明顯變化。 5) 顆粒直徑：在反響器，當(dāng)固體顆粒的直徑非常小的時候，床層不的氣含率隨著小顆粒直徑的變

12、大而變大，但是大到一定值時，床層的平均氣含率隨著其小顆粒的直徑而變小。顆粒直徑在 44m到254m間，其影響可忽略不計。 6) 液/漿物理性質(zhì)：外表力、黏度的增加和密度的增加均會使氣含率變大由于更小尺寸氣泡的形成。 2 固相含率及其分布 固體顆粒懸浮在液體中，主要受來自液體的曳力和湍動分散、以及氣泡尾渦的作用而處于流化狀態(tài)。固體顆粒操作狀態(tài)可以是間歇模式如沸騰床中的催化劑也可以是連續(xù)模式如輸送床或三相循環(huán)流化床。固體顆粒在床分散、懸浮及流化狀態(tài)與反響器的傳遞和反響性能密切相關(guān)，因此對其定性和定量的研究一直受到研究者重視。對固體顆粒在床層分散的描述是固相含率在床層中的軸向和徑向分布。固含率隨床高

13、由底局部布板向上逐漸減小，其徑向分布中間濃度低，靠近壁面濃度高。 表觀氣/液速：固相含率隨著表觀速度的增大而趨于均勻，當(dāng)氣流速度增大時，有更多的固體顆粒被帶到床層更高的位置。 壓力: 床層壓力增大時，固顆粒分布變均勻。 液速：在反響器，液體速度的增大使得液固二相混合均勻，所以固含率沿反應(yīng)器的分布較均勻。 固體濃度：當(dāng)床層固體顆粒濃度增大時，固相含率的分布變的均勻。 近些年來，Cova 等人 、Suganuma 和 Yamanishi提出的沉降-分散模型Sedimentation-Dispersion Model, SDM 模型被廣泛運(yùn)用，這兩種模型能較好預(yù)測淤漿床反響器中固體顆粒的軸向分布。

14、3氣泡動力學(xué) 在漿態(tài)鼓泡床中，氣泡的形成及逃逸是一個重要的過程。氣泡大小分布和上升速度直接影響到相間質(zhì)量傳遞、相界面積和各相的停留時間，是重要的流體力學(xué)參數(shù)。文獻(xiàn)中研究氣泡的方法多種多樣，但大局部方法都基于 Krishna 等21提出的大小氣泡這種模型。所以根據(jù)此研究結(jié)果床層的氣泡含率和上升速度可以分成大氣泡群和小氣泡群來研究22。通常在研究大氣泡、小氣泡上升速度時，最常用的方法是動態(tài)氣體溢出法技術(shù)。動態(tài)氣體逸出法技術(shù)由 Mann23提出，它的原理是當(dāng)反響器通氣閥門突然關(guān)閉時，床層的液面會隨之變化，用差壓傳感器采集在關(guān)閉氣路時大小氣泡溢出的數(shù)據(jù)，并作出相對應(yīng)的溢出曲線，根據(jù)此曲線可以分析出大氣

15、泡和小氣泡的分布規(guī)律及氣含率的大小。在用于電石生產(chǎn)的鼓泡反響器中，液面部存在大小氣泡以及反響物顆粒，其中，分散的氣泡含配料炭顆粒，作用相當(dāng)于分隔的燃燒室，CaO顆粒分散在連續(xù)的 CaC2溶體；氣相中過量的炭顆粒經(jīng)氣液界面連續(xù)傳遞至液相與 CaO顆粒接觸并生成電石溶體。 1.1.4 流動特性參數(shù)的測量1氣含率的測定 在以往的研究中，測淤漿鼓泡床反響器中流體力學(xué)參數(shù)的測試方法有很多種，最常用的幾種方法如下：光纖探頭、射線法、攝像法、差壓傳感器法以及動態(tài)氣體溢出法來測量反響器中的平均氣含率、大小氣泡分布、固含率等參數(shù)。 在不連續(xù)的操作中，一般情況下來測量全床層的平均氣含率大都采用膨脹床法24，其主要

16、的手段是用目測方式，當(dāng)通氣的時候，記錄先液面上升的最高位置 H1，然后突然關(guān)閉氣路，等液面回到初始位置時，記下液面高度 H2，全床層的平均氣含率就等于H1-H2/H2，此方法簡單、快捷、容易掌握，缺點(diǎn)是測量值和真實(shí)值存在一定的誤差。在連續(xù)的操作方式時，通常用差壓法來測量床層的局部平均氣含率，用到的儀器是差壓傳感器，當(dāng)反響器通入氣體時，差壓傳感器和計算機(jī)連接在一起，可以實(shí)時在線采集到床層部壓力的變化情況，根據(jù)壓力的變化情況來計算出床層局部的氣含率。此方法高效、快捷、準(zhǔn)確性高，近些年來得到了廣泛的運(yùn)用。 攝像法25是運(yùn)用高速的面陣攝像頭(CCD來采集反響器的變化情況的圖片，此方法的前提是床層部的其

17、他因素干擾少能、見度較高時，可直接的觀察到床層部氣泡的運(yùn)動規(guī)律。實(shí)驗(yàn)記錄系統(tǒng)主要有高速 CCD、計算機(jī)和高強(qiáng)度的新聞燈組成，高速CCD拍攝的相片通過計算機(jī)實(shí)時采集，高效快捷。但是也存在一定的局限性，如果反響器反響劇烈或者反響的液固二相比擬渾濁，光線差的時候，用高速的 CCD來拍攝相片，效果很差，所以在此反響條件下，攝像法不適合運(yùn)用。在氣-液-固三相的床層，高強(qiáng)度的新聞燈照射反響器時，光線穿過氣泡和液固后在 CCD 的拍攝的相片中會得到灰度不一樣的圖片，通過分析此影像來確定關(guān)于大小氣泡才一些運(yùn)動規(guī)律。 近些年，隨著光纖技術(shù)的成熟，光纖探針用于測量床層氣泡的一些變化規(guī)律也被廣泛運(yùn)用在石油化工的領(lǐng)域

18、 26。其工作的原理是當(dāng)光纖探頭伸入到反響器時，外置的傳感器會發(fā)射光源，光線經(jīng)過氣相和液固相時，反射回來的強(qiáng)度有差異，這樣的變化被探針探測到，經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換為電流信號，最終經(jīng)過分析可以得出想要的一些氣泡行為的技術(shù)參數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)中采用床層膨脹法測定在表觀氣速、構(gòu)件、靜液高度等各種影響因素下的全床層平均氣含率；差壓法測定在表觀氣速、構(gòu)件、靜液高度和固相含率等各種影響因素下的局部平均氣含率；用動態(tài)氣體逸出法確定在上述各種因素下大小氣泡在全床層的分布。 2 固含率的測定 在氣-液-固三相床中，測量固含率的方法有很多種，電導(dǎo)探針法和射線法27是比較常用的兩種方法。兩種方法都需要精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)的手

19、段，在一些實(shí)驗(yàn)條件不是很成熟的時候，通常采取直接取樣稱重法，這種方法是一種很簡單的方法，原理是通過取樣管把漿液取出來，烘干后稱重，這樣就可以得到床層*一局部的固相含率，取樣法需要的實(shí)驗(yàn)儀器簡單、費(fèi)用低，在科研的領(lǐng)域被廣泛的運(yùn)用。本實(shí)驗(yàn)采用直接取樣法定量測定在表觀氣速、構(gòu)件等各種影響因素下固含率沿軸向的分布。 3床層壓降的測定 一般情況下，選擇U 型液壓管對全床層壓降和床層局部壓降進(jìn)展測量，此方法簡單實(shí)用，儀器價格低廉，通過目測的方法就行知道床層壓力的變化情況，在以往的研究中，大多采取這種方法。近些年來，差壓傳感器法用來測量床層的壓降被廣泛的運(yùn)用28，此方法是傳感器一端探頭在床層，另一端和計算機(jī)

20、連接，當(dāng)進(jìn)展連續(xù)操作時，傳感器能夠連續(xù)實(shí)時的測量數(shù)據(jù)并別計算機(jī)采集，此方法準(zhǔn)確迅速方便，大大提高了工作的效率，已被大量的運(yùn)用在淤漿鼓泡床的研究之中。 1.2 氣流床反響器前面的文章提到，根據(jù)振宇等29提出的氧熱法電石生產(chǎn)新工藝，這種工藝主要是固固相接觸，在高溫環(huán)境下生成液相。針對該工藝，已提出氣流床反響器技術(shù)3，也即在反響器分區(qū)進(jìn)展炭燃燒和電石合成反響，本文的氣流床反響器是對床層分段考察，接下的文章我會對結(jié)合流化床對氣流床做個一詳細(xì)的介紹。 1.2.1 氣流床反響器的簡介 根據(jù)此前的文獻(xiàn)報道可知，氣固流化床反響器是在石油化工領(lǐng)域有較廣的運(yùn)用，其特點(diǎn)是反響物顆粒懸浮于床，具有流體流動的性質(zhì)，反響

21、物的成分在于反響物的接觸中發(fā)生反響。由于其氣固兩相返混劇烈，傳熱、傳質(zhì)效率高等特點(diǎn)已在電力、石油、化工、冶金、能源環(huán)保和核工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用30-31。但是流化床本身存在一定的缺點(diǎn)。一是，氣固兩相劇烈的流動，導(dǎo)致其接觸不均勻，反響效率不高。二是，在反響器，固體顆粒在流動過程中的劇烈碰撞摩擦，使得反響物的顆粒加速粉體化，當(dāng)噴射氣流過高時，反響物料會被帶出反響器，降低生產(chǎn)效率32-33。在目前已有的流化床反響器的根底上，又根據(jù)新型電石生產(chǎn)工藝，設(shè)計出一種氣流床反響器，其構(gòu)造見圖如1-3所示。 氣流床反響器的原理類似于流化床反響器的原理。流化床的原理是床層的固體顆粒別上升的氣流懸浮在流體之中

22、，使固體顆粒具有類似于流體的*些特點(diǎn)，這種流動行為被稱為固體流態(tài)化31。本文用到的氣流床反響器即可是從反響器頂部進(jìn)料也可從底部進(jìn)料，從反響器的側(cè)面噴嘴噴入氣體，使細(xì)小顆粒循環(huán)起來。流化床反響器的有以下幾個特點(diǎn)34： 1固體顆粒的能夠連續(xù)輸入和輸出。 2床層溫度的分布均勻，適合強(qiáng)熱的反響過程。 3有利于一些用于催化劑的循環(huán)利用。 4床層在反響的同時，可以使產(chǎn)物導(dǎo)出，提高了生產(chǎn)效率。 5反響器氣流和固體顆粒流動很劇烈、很充分，所以氣固相間傳質(zhì)速率較高。 基于以上特點(diǎn)，流態(tài)化技術(shù)有著突出的優(yōu)點(diǎn)，本文的氣流床反響器的設(shè)計就是運(yùn)用了流態(tài)化技術(shù)。 1.2.2 氣流床反響器的測量技術(shù) 氣流床反響器的測量技術(shù)

23、和流化床反響器的測量技術(shù)類似，流化床反響器自 20世紀(jì)中葉被創(chuàng)造出來以后，其開展非常迅速，由于流化床氣固構(gòu)造簡單、操作性能好、反響效率高，它已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛的運(yùn)用和開展，尤其在石油化工中的作用越來越大。隨著社會科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的需要，對流化床反響器的氣相以及固體顆粒的分布的準(zhǔn)確度和精度要求很高。通過先進(jìn)的檢測技術(shù)，既可以對流化床的流動性能有深入的了解，同時也促進(jìn)了測試手段的進(jìn)步和開展。反響器顆粒性質(zhì)的測量方法有下面幾種： 1顆粒直徑。對顆粒直徑的測量有很多方法，有直接測量也有間接的測量法。直接測量是根據(jù)固體顆粒的幾何尺寸進(jìn)展的，例如篩分法和顯微鏡法等等；間接測量則是先確定與固體顆粒尺

24、寸有關(guān)性質(zhì)參數(shù)，然后用前人已經(jīng)確定的公式計算顆粒大小，如沉積法等。激光粒度分析法，它即可分析固體顆粒，也可以分析噴霧顆粒、干粉樣品、濕泥樣品，這種方法與計算機(jī)配合可使分析過程非常迅速。顯微鏡分析法：它可以通過電鏡直接掃描固體顆粒，速度快、精度較高。自動計數(shù)器法：該方法進(jìn)展粒度的測定時是通過測量顆粒對載體典型值或者載體光性質(zhì)的效應(yīng)來完成的，包括電阻變化法和光學(xué)法；電阻計數(shù)器用于快速測定電解液里的顆?；蛘咭旱蔚牧６?，光學(xué)計數(shù)器是應(yīng)用光學(xué)測量原理對顆粒進(jìn)展自動計數(shù)和粒度大小測定的。圖像分析儀法：該方法可在短時間提供完整的粒度分布和形狀資料，可得到形狀、面積、最長尺寸、最小尺寸等。沉降法：當(dāng)被分析的固

25、體顆粒較小時小于 0.07 mm，此方法可以廣泛的運(yùn)用。 2顆粒密度。固體顆粒密度分為顆粒密度，堆積密度，真密度等。最常用的固體顆粒測試方法為浸入法，把質(zhì)量的顆粒放入容積的水中，測出顆粒的體積，顆粒密度用顆粒的質(zhì)量除以體積即可。 3顆粒形狀。顆粒有很多種形狀，可分為以下幾種：球形，滾圓形，多角形，不規(guī)則形，粒狀形，片狀形，枝狀形等，球形是最常見的一種顆粒形狀。 氣流床反響器中流動性能參數(shù)的測量及分析。氣流床的流動性能的測量主要是氣固兩相運(yùn)動規(guī)律的分析。具體而言，主要研究氣流床壓力的變化、氣體和固體顆粒在床的運(yùn)動速度、固相濃度沿軸向及徑向的分布等。 1壓差的測量。壓差能直接或間接地反映出床固體顆

26、粒的濃度、速度、氣泡變化的行為35。床層壓差最簡單的方法是用 U型液壓計來測量。其簡單、方便、直觀，但是存在著觀察誤差大，工作效率低等缺點(diǎn)。近年來，研究人員大都采用差壓傳感器對床層壓降記性測量，差壓傳感器可以在線實(shí)時采集床層部壓力變化的情況，準(zhǔn)確、迅速、方便，已經(jīng)被大量的運(yùn)用在相關(guān)的領(lǐng)域。 2氣體速度的測量。床層局部平均氣速的測定是以一個比擬麻煩的問題，因?yàn)榇矊託饬鞔嬖诨亓鞯葐栴}。近年來，由于科技的進(jìn)步，一些高端設(shè)備被引入此領(lǐng)域來，例如采用美國 TSI 公司生產(chǎn)的 TSI-IFA300 型熱線熱膜風(fēng)速儀來測量局部氣體速度，此方法方便快捷準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是設(shè)備比擬昂貴。 3固體顆粒濃度的測量。電容層析

27、成像測量方法在以往的研究中被大量的運(yùn)用36。其主要的原理是，通過電容值的變化，了解床層固體顆粒濃度的變化情況，此方法比擬復(fù)雜，難于操作。隨著科技的進(jìn)步，最近幾年光纖顆粒濃度測量方法37被不少研究人員采用。光纖測試儀存在著精度高，測試速度快等優(yōu)點(diǎn)。最常見的設(shè)備是中科院過程所研制的 PC(V)-6A系列光纖測試儀，此儀器已被業(yè)廣泛運(yùn)用。此外，還有學(xué)者用放射技術(shù)來測量床層部的顆粒濃度的大小38。 4顆粒速度的測量。固體顆粒運(yùn)動速度的測量技術(shù)主要有攝像法39、光纖速度測量系統(tǒng)、多普勒激光測速儀40等。近些年來，由于光纖技術(shù)的迅速開展及普及，光纖技術(shù)也被運(yùn)用在測量固體顆粒運(yùn)動的速度上。由中科院過程所研制

28、的 PC-6D型光纖測試系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用在反響器部顆粒速度的測量上，此方法簡單快捷，精度較高，且設(shè)備小巧靈活。1.3 本課題的研究容及意義1.3.1 本實(shí)驗(yàn)的研究容 本課題根據(jù)新型電石生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，首先選取淤漿鼓泡床反響器進(jìn)展初步研究。固體顆粒通過葉輪給料器被風(fēng)吹進(jìn)反響器，液相間接進(jìn)料對電石生產(chǎn)的反響固+固=液氣進(jìn)展冷模實(shí)驗(yàn)。以自來水代替高溫下液態(tài) CaC2，CPVC顆粒代替 CaO。通過改變進(jìn)料氣體的表觀速度、固體濃度、比照有無構(gòu)和改變靜液高度來研究淤漿床反響器傳遞性能的各參數(shù)變化，包括全床層平均氣含率、床層局部平均氣含率、固相含率軸向分布、大小氣泡分布。 在探索淤漿鼓泡床反響器的根底上，本

29、文又繼續(xù)探索了另一種用于電石生產(chǎn)的反應(yīng)器-氣流床反響器。在冷態(tài)條件下，本文研究其多相流動特性，重點(diǎn)考察和分析了床層的壓降、床層局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層固體顆粒濃度的分布規(guī)律，據(jù)此分析反響器的可行性，為新型電石反響器的下一步研發(fā)提供借鑒。 1.3.2 本課題的意義當(dāng)前，我國乙炔的生產(chǎn)方法主要是電弧法，此法存在耗能極大，污染高等缺點(diǎn)。本文根據(jù)電石生產(chǎn)新工藝，針對該工藝，首先選取淤漿鼓泡床反響器進(jìn)展初步研究，相對于以前的實(shí)驗(yàn)，本課題從電石的制取方法和實(shí)驗(yàn)手段上進(jìn)展新的探索和嘗試，并且結(jié)合電石生產(chǎn)的特性和淤漿床反響器的特性，對將淤漿床反響器應(yīng)用于電石生產(chǎn)進(jìn)行初步研究，從嶄新的應(yīng)

30、用角度研究多相傳遞對淤漿床反響器反響性能的影響。作為開發(fā)的第二步提出氣流床反響器技術(shù)，也即在反響器分區(qū)進(jìn)展炭燃燒和電石合成反應(yīng)，此反響器分為預(yù)熱區(qū)、過渡區(qū)、反響區(qū)三個局部，此反響器不但能使生產(chǎn)效率提高而且能夠降低能耗，減少環(huán)境污染，有很好的推廣應(yīng)用市場。通過對兩種反響器的研究論證，希望為用于電石生產(chǎn)的固固接觸多相反響器的下一步開發(fā)、設(shè)計提供借鑒，并為工業(yè)生產(chǎn)的放大和優(yōu)化提供根底實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。 二.結(jié)論本文主要介紹了兩種用于電石生產(chǎn)的反響器，一種是淤漿鼓泡床反響器，另一種是氣流床反響器。同時詳細(xì)介紹了在冷態(tài)條件下，研究兩種反響器的流動性能。對于鼓泡床反響器實(shí)驗(yàn)體系，在冷態(tài)條件下，重點(diǎn)考察不同操作

31、條件和不同構(gòu)件的情況下床層氣含率、固含率及大小氣泡分布的變化規(guī)律，據(jù)此分析反響器的可行性；與此同時對氣固床反響器實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)展冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，考察了反響器的全床層壓降、床層局部氣速沿反響器軸向分布以及其徑向分布、反響器部顆粒濃度沿床層軸向及徑向的分布情況。最后，對得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)展了相關(guān)的分析比擬。 2.1 結(jié)論對將淤漿鼓泡床反響器應(yīng)用于電石的合成進(jìn)展初步探索，在此根底上研究了改變操作條件：表觀氣速，靜液高度，進(jìn)料量；改變幾何參數(shù)：構(gòu)件形式和幾何尺寸對淤漿鼓泡床反響器中諸如全床平均氣含率、床層局部平均氣含率、床層大小氣泡的分布、固含率沿軸向的分布等流體力學(xué)參數(shù)的影響，得到如下主要結(jié)論： 1表觀氣速增大

32、時，全床層的平均氣含率也隨著變大。在一定的靜液高度圍，靜液高度對床層平均氣含率不成線性關(guān)系，靜液高度H=0.8 m 時全床層平均氣含率到達(dá)最大；當(dāng)有構(gòu)件時，由于構(gòu)件加大了氣體的流速，導(dǎo)致此時的全床層平均氣含率較無構(gòu)件高，。 2表觀氣速增加時床層局部平均氣含率隨氣速的增加而增加。對于淤漿床的同一部位處，假設(shè)以靜液高度為單變量，則不同靜液高度將會導(dǎo)致不同的床層局部平均氣含率，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)靜液高度 H=0.8 m 時床層局部平均氣含率最高。對開孔率一樣，孔徑不同的構(gòu)件，在床層較低部位處，開孔直徑越大，床層局部平均氣含率越高；有部構(gòu)件時床層局部平均氣含率較無構(gòu)件時高且氣含率隨氣速變化近似呈線性關(guān)系。固體

33、顆粒的參加減少了床層局部平均氣含率，尤其是當(dāng)固體顆粒進(jìn)料量增大、表觀氣速增大的時候這種作用變得尤為明顯。 3在一樣的床層軸向位置處，表觀氣速越大則床層局部平均氣含率越高。在不同的靜液高度下，沿床層軸向的局部平均氣含率先增加再減小，在 H=0.6 m 處到達(dá)最大值，所以在淤漿鼓泡床存在一個床層局部平均氣含率最大的部位，該床層部位最有利于氧熱反響合成電石。 4當(dāng)氣體速度變大時，小氣泡含量逐漸增加，大氣泡含量逐漸減??；隨著靜液高度的增加，大氣泡含量均是先增大后減小，而小氣泡含量在低氣速時隨靜液高度增加，在高氣速時先增大后減小；有構(gòu)件時由于構(gòu)件對氣泡的破碎作用，床層中小氣泡含量的相對較高，構(gòu)件孔徑越小，小氣泡含量越高。 5在一定的表觀氣速圍，固含率在反響器軸向分布隨表觀氣速增大趨于均勻，但是當(dāng)氣速過大反而會使固含率在軸向有較大的分布梯度，尤其是在高固體進(jìn)料量時