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淤漿鼓泡床電石生產(chǎn)特性論文
引言
目前電石的合成方法主要是電弧法[1]，該法借助電弧爐將電能轉化為熱能，加熱熔融石灰和原料焦炭發(fā)生反應制取電石。雖然此法歷史悠久，但是只能使用塊狀原料，然而塊狀原料的反應面小、反應速率慢，在反應爐內停留時間長、生產(chǎn)能力小，同時存在高能耗、高物耗和高污染的缺點[2]。鑒此，有必要研發(fā)更合適的電石反應器和生產(chǎn)工藝。劉振宇等[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[4]，也即在反應器內分區(qū)進行炭燃燒和電石合成反應，但存在兩反應區(qū)間傳熱面積少以及電石反應區(qū)接觸面積少等不足，未能充分利用氧熱法的優(yōu)點。因此，本文設計適用該工藝的一種淤漿鼓泡床反應器，其中，分散的氣泡含配料炭顆粒，作用相當于分隔的燃燒室，CaO顆粒分散在連續(xù)的CaC2溶體內；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。作為這種反應器開發(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，重點考察不同操作條件下器內相含率及大小氣泡分布的變化規(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實驗部分
1.1冷模實驗系統(tǒng)冷模實驗系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括淤漿鼓泡床反應器以及氣含率、固含率和氣泡大小測量系統(tǒng)。反應器主體為150mm×1500mm有機玻璃筒。在距分布器不同高度處(0.3m，0.5m，0.7m，0.9m，1.1m和1.3m)，反應器的兩側分別裝有6個取樣閥和測壓閥。實驗在常溫、常壓下操作。反應器的表觀氣速在0.05~0.30m/s之間變化，所用物系為空氣-自來水-氯化聚氯乙烯三相體系，其物理性質見表1。其中，水模擬液體碳化鈣，氯化聚氯乙烯(CPVC)顆粒模擬氧化鈣顆粒，兩者間密度比與原體系相近。來自壓縮機的壓縮空氣先經(jīng)減壓過濾到所需要的壓力，然后通過空氣轉子流量計計量再通入器內鼓泡，最后由反應器上部逸出。實驗前，固體顆粒經(jīng)葉輪給料器被空氣吹入到反應器內，然后向反應器中加入一定高度的水，待系統(tǒng)穩(wěn)定后進行流動參數(shù)的測試。葉輪給料器下端接有風管，CPVC顆粒加入料斗倉后，從給料器下端出來被風吹進反應器中，進料的速度由變頻器調節(jié)變頻電機的快慢來控制，進料流量為3.0~12.0kg/h，進料時間均為10min。
1.2實驗測試方法實驗所測量的流動參數(shù)包括床層局部平均氣含率、固含率軸向分布和大小氣泡分布。局部平均氣含率采用差壓法測量(3351DP3E型差壓變送器，北京金立石儀表科技有限公司)。壓力信號經(jīng)過傳感器先轉變?yōu)殡娏餍盘枺俎D變?yōu)殡妷盒盘�，最后通過A/D采集卡轉變?yōu)閿?shù)字信號通過計算機采集和存儲，采樣頻率為200Hz，采集時間為150s。根據(jù)動態(tài)氣體溢出法[5]計算床層兩點間氣-液二相的局部平均氣含率εg，也即式(2)中:Δpij為測孔間差壓，Pa；ΔHij為測孔間距，m；g為氣相密度，l為液相密度，sl為漿相密度，kg/m3。固含率εs(質量分數(shù))采用取樣法來測定[6]，即將取樣漿液經(jīng)過過濾、烘干，稱重后算得。在同一實驗條件下，重復試驗3次，每次取60~65mL，取平均值。
2結果與討論
2.1各因素對局部平均氣含率的影響
2.1.1表觀氣速圖2示出了表觀氣速對氣-液體系床層局部平均氣含率的影響。由圖2可見，局部平均氣含率隨著表觀氣速的增加而增加。這表明表觀氣速的增加使得床中的小氣泡數(shù)增多，隨著鼓泡速度的增大，大氣泡含率也進一步增加，從而導致整個床層的氣體含量增加；這與王國峰等[7]的結論相似。在較低和較高截面處的氣含率也近似相等，說明反應器內部的平均氣含率分布比較均勻；這對于氧熱法電石生產(chǎn)中床層溫度的均一化是有利的。
2.1.2固體顆粒進料量圖3示出了固體顆粒進料量對床層局部平均氣含率的影響。由圖3可知，固體顆粒的加入減少了床層局部平均氣含率，尤其是當固體顆粒進料量增大的時候這種作用變得尤為明顯。固體顆粒的加入主要增加了漿液的表觀黏度，使氣泡聚并的機會大為增加，同時氣泡分散困難，導致小氣泡減少，大氣泡增多，從而床層局部平均氣含率降低；這與Krish-na等[8]使用空氣-水-石英砂的結果相似。大氣泡增加有利于氧熱法電石生產(chǎn)中炭的充分燃燒和提供反應熱。
2.1.3靜液高度圖4給出了靜液高度對氣-液體系局部平均氣含率的影響。由圖4可見，對于不同靜液高度的淤漿床，隨著表觀氣速的增大床層局部平均氣含率逐漸增大，但在不同的氣速區(qū)增幅不相同。當Ug<；0.14m/s時近似呈線性增長，說明在此速度以下淤漿床內的流動為均勻鼓泡區(qū)；在Ug為0.14~0.1m/s之間時，局部平均氣含率均存在一個轉折點，說明床內的流動變?yōu)橥膭恿�。由圖4還可看出，當H0=0.8m時該反應器的局部平均氣含率最大，當H0=1.0m時的該反應器局部平均氣含率最小，因此，存在一個適宜的靜液高度使其局部平均氣含率達到最大值。對于氧熱法電石生產(chǎn)，通過控制靜液高度增加床層氣含率有利于提高相間的接觸效率。2.2各因素對固含率的軸向分布的影響
2.2.1表觀氣速圖5示出了表觀氣速對固含率軸向(X)分布的影響。由圖5可見，在相同的固體進料量下，固含率隨表觀氣速變化沿床層軸向分布表現(xiàn)為先增大后減小，總體來說趨于均勻，這與Smith等[9]研究的結果類似。但在軸向位置H0=0.7m時固含率達到最大，此現(xiàn)象鮮見文獻報道。這主要是由于隨著表觀氣速的增加導致顆粒的終端曳力系數(shù)變大，顆粒的
2.2.2固體顆粒進料量圖6分別比較了不同固體進料量對固含率沿軸向分布的影響。由圖6可見，在不同的固體進料量下，床層內固含率沿軸向分布都比較均勻，原因可能是漿液密度較低導致漿液更易達到非均勻劇烈湍動區(qū)，使固體受到自身的重力、來自液體的曳力和湍動分散、以及氣泡尾渦的作用而處于力的平衡狀態(tài)，從而使固含率沿軸向分布較均勻。反應器內固含率的均勻分布，提高了固固接觸的效率，有利于反應效率的提高。
2.2.3不同軸向位置的固含率隨表觀氣速的變化圖7比較了在相同的進料量下，不同軸向位置的固體顆粒濃度隨表觀氣速的變化關系。顯而易見，同一軸向位置點的固含率隨著表觀氣速的增加先降后升，在表觀氣速Ug=0.16m/s時候，固體濃度最低，在此氣體速度下，固體顆粒在其內部分布均勻，然后在高氣速下，固體濃度又逐漸增大。這表明在低氣速時，顆粒沉降速度加快，這與Zhang等[10]在大型鼓泡床中研究的結果類似。在本反應器內，不同軸向位置固含率隨表觀氣速的變化趨勢基本一致，與表觀氣速對固含率沿軸向變化的趨勢相近，說明反應器內具有良好分散性和流動性。的氣含率為小氣泡的氣含率，總的氣含率減去小氣泡的氣含率即為大氣泡的氣含率。
2.3.2表觀氣速2.3各因素對大、小兩類氣泡分布的影響
2.3.1大小氣泡分布測試原理氣泡大小在全床層的分布采用DGD法測量[11]，也即通過床層關斷塌落中氣含率隨時間的變化解讀床層中大、小兩類氣泡尺寸的分布情況。圖8為典型的DGD方法塌落曲線，其中豎線對應閥門突然關斷時刻，ab段為大氣泡溢出的過程，到b點全部溢出，bc段為小氣泡均勻通過的過程，其對應由圖9可見，隨著表觀氣速的增加小氣泡含量不斷增加，而大氣泡含量則不斷減小，并且在表觀氣速Ug=0.08m/s時小氣泡含量低于大氣泡含量，當Ug>；0.08m/s時小氣泡含量大于大氣泡含量。這可能是因為在較低氣速時床層處于均勻鼓泡流狀態(tài)，床層中大氣泡不易破裂成小氣泡；隨著氣速的增大，氣泡間相互聚并和破碎的頻率增加，氣泡不斷合并和破裂，其大小和速度都在不斷的增加，大氣泡集中在中心區(qū)域以較快的速度上升，床層壁附近以小氣泡為主，上升速度較慢，導致小氣泡含量較高；林松等[12]及Fransolet等[13]曾報道類似結果。如前述，大氣泡增加有利于氧熱法電石生產(chǎn)中炭的充分燃燒和提供反應熱。
2.3.3靜液高度靜液高度對大小氣泡分布的影響見圖10。由圖10可見，在Ug=0.086m/s和Ug=0.157m/s時小氣泡含量均小于大氣泡含量。隨著靜液高度的增加，大氣泡含量是先增大后減小，而小氣泡含量在低氣速時隨靜液高度增加而增大、在高氣速時先增大后減小。這說明當靜液高度增加時，床層底部處于分布器域，大氣泡含率相對較大，床層主體處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，氣泡聚并和破碎達動態(tài)平衡，床層上部處于泡沫區(qū)域，氣含率相對較高，大氣泡的破碎較為劇烈。靜液高度在此反應器高度3/5左右處大氣泡的含量達到最大。
3結論
(1)床層局部平均氣含率隨氣速的增加而增加；固體顆粒的加入減少了局部平均氣含率；不同靜液高度將會導致不同的床層局部平均氣含率，在本實驗中當靜液高度H0=0.8m時床層局部平均氣含率最高。
(2)當Ug在0.136~0.196m/s之間時，固含率在反應器軸向分布隨表觀氣速增大趨于均勻；固體進料量越小則固含率沿軸向分布越均勻，反之，越不均勻；表觀氣速對軸向位置較高點的固體濃度變化影響比較低點更加明顯。
(3)隨著表觀氣速的增加，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。
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