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(zhuǎn)化為熱能，加熱熔融石灰和原料焦炭發(fā)生反應(yīng)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(yīng)面小、反應(yīng)速率慢，在反應(yīng)爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)能力小，同時(shí)存在高能耗、高物耗和高污染的缺點(diǎn)[2]。鑒此，有必要研發(fā)更合適的電石反應(yīng)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(yīng)和放熱的炭燃燒反應(yīng)，不僅提高熱效率，且可提高反應(yīng)中各相間的接觸效率。針對(duì)該工藝，已提出氣流床反應(yīng)器技術(shù)[4]，也即在反應(yīng)器內(nèi)分區(qū)進(jìn)行炭燃燒和電石合成反應(yīng)，但存在兩反應(yīng)區(qū)間傳熱面積少以及電石反應(yīng)區(qū)接觸面積少等不足，未能充分利用氧熱法的優(yōu)點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)適用該工藝的一種淤漿鼓泡床反應(yīng)器，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溶體內(nèi)；氣相中過(guò)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(yīng)器開發(fā)的第一步，本文研究其多相流動(dòng)特性，也即在冷態(tài)條件下，重點(diǎn)考察不同操作條件下器內(nèi)相含率及大小氣泡分布的變化規(guī)律，據(jù)此分析反應(yīng)器的可行性，為新型電石反應(yīng)器的研發(fā)提供借鑒和參考。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1冷模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)冷模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括淤漿鼓泡床反應(yīng)器以及氣含率、固含率和氣泡大小測(cè)量系統(tǒng)。反應(yīng)器主體為150mm×1500mm有機(jī)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(yīng)器的兩側(cè)分別裝有6個(gè)取樣閥和測(cè)壓閥。實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下操作。反應(yīng)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(lái)水-氯化聚氯乙烯三相體系，其物理性質(zhì)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(lái)自壓縮機(jī)的壓縮空氣先經(jīng)減壓過(guò)濾到所需要的壓力，然后通過(guò)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量再通入器內(nèi)鼓泡，最后由反應(yīng)器上部逸出。實(shí)驗(yàn)前，固體顆粒經(jīng)葉輪給料器被空氣吹入到反應(yīng)器內(nèi)，然后向反應(yīng)器中加入一定高度的水，待系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行流動(dòng)參數(shù)的測(cè)試。葉輪給料器下端接有風(fēng)管，CPVC顆粒加入料斗倉(cāng)后，從給料器下端出來(lái)被風(fēng)吹進(jìn)反應(yīng)器中，進(jìn)料的速度由變頻器調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的快慢來(lái)控制，進(jìn)料流量為3.0~12.0kg/h，進(jìn)料時(shí)間均為10min。
1.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的流動(dòng)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(cè)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(hào)經(jīng)過(guò)傳感器先轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，最后通過(guò)A/D采集卡轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)采集和存儲(chǔ)，采樣頻率為200Hz，采集時(shí)間為150s。根據(jù)動(dòng)態(tài)氣體溢出法[5]計(jì)算床層兩點(diǎn)間氣-液二相的局部平均氣含率εg，也即式(2)中:Δpij為測(cè)孔間差壓，Pa；ΔHij為測(cè)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(zhì)量分?jǐn)?shù))采用取樣法來(lái)測(cè)定[6]，即將取樣漿液經(jīng)過(guò)過(guò)濾、烘干，稱重后算得。在同一實(shí)驗(yàn)條件下，重復(fù)試驗(yàn)3次，每次取60~65mL，取平均值。
2結(jié)果與討論
2.1各因素對(duì)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(duì)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(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致整個(gè)床層的氣體含量增加；這與王國(guó)峰等[7]的結(jié)論相似。在較低和較高截面處的氣含率也近似相等，說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)部的平均氣含率分布比較均勻；這對(duì)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(jìn)料量圖3示出了固體顆粒進(jìn)料量對(duì)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(dāng)固體顆粒進(jìn)料量增大的時(shí)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(jī)會(huì)大為增加，同時(shí)氣泡分散困難，導(dǎo)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(jié)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(yīng)熱。
2.1.3靜液高度圖4給出了靜液高度對(duì)氣-液體系局部平均氣含率的影響。由圖4可見，對(duì)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(dāng)Ug<；0.14m/s時(shí)近似呈線性增長(zhǎng)，說(shuō)明在此速度以下淤漿床內(nèi)的流動(dòng)為均勻鼓泡區(qū)；在Ug為0.14~0.1m/s之間時(shí)，局部平均氣含率均存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說(shuō)明床內(nèi)的流動(dòng)變?yōu)橥膭?dòng)流。由圖4還可看出，當(dāng)H0=0.8m時(shí)該反應(yīng)器的局部平均氣含率最大，當(dāng)H0=1.0m時(shí)的該反應(yīng)器局部平均氣含率最小，因此，存在一個(gè)適宜的靜液高度使其局部平均氣含率達(dá)到最大值。對(duì)于氧熱法電石生產(chǎn)，通過(guò)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(duì)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(duì)固含率軸向(X)分布的影響。由圖5可見，在相同的固體進(jìn)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(lái)說(shuō)趨于均勻，這與Smith等[9]研究的結(jié)果類似。但在軸向位置H0=0.7m時(shí)固含率達(dá)到最大，此現(xiàn)象鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。這主要是由于隨著表觀氣速的增加導(dǎo)致顆粒的終端曳力系數(shù)變大，顆粒的
2.2.2固體顆粒進(jìn)料量圖6分別比較了不同固體進(jìn)料量對(duì)固含率沿軸向分布的影響。由圖6可見，在不同的固體進(jìn)料量下，床層內(nèi)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(dǎo)致漿液更易達(dá)到非均勻劇烈湍動(dòng)區(qū)，使固體受到自身的重力、來(lái)自液體的曳力和湍動(dòng)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(yīng)器內(nèi)固含率的均勻分布，提高了固固接觸的效率，有利于反應(yīng)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(jìn)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(guān)系。顯而易見，同一軸向位置點(diǎn)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(shí)候，固體濃度最低，在此氣體速度下，固體顆粒在其內(nèi)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(shí)，顆粒沉降速度加快，這與Zhang等[10]在大型鼓泡床中研究的結(jié)果類似。在本反應(yīng)器內(nèi)，不同軸向位置固含率隨表觀氣速的變化趨勢(shì)基本一致，與表觀氣速對(duì)固含率沿軸向變化的趨勢(shì)相近，說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)具有良好分散性和流動(dòng)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(duì)大、小兩類氣泡分布的影響
2.3.1大小氣泡分布測(cè)試原理氣泡大小在全床層的分布采用DGD法測(cè)量[11]，也即通過(guò)床層關(guān)斷塌落中氣含率隨時(shí)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(duì)應(yīng)閥門突然關(guān)斷時(shí)刻，ab段為大氣泡溢出的過(guò)程，到b點(diǎn)全部溢出，bc段為小氣泡均勻通過(guò)的過(guò)程，其對(duì)應(yīng)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(shí)小氣泡含量低于大氣泡含量，當(dāng)Ug>；0.08m/s時(shí)小氣泡含量大于大氣泡含量。這可能是因?yàn)樵谳^低氣速時(shí)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(dǎo)致小氣泡含量較高；林松等[12]及Fransolet等[13]曾報(bào)道類似結(jié)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(yīng)熱。
2.3.3靜液高度靜液高度對(duì)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(shí)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(shí)隨靜液高度增加而增大、在高氣速時(shí)先增大后減小。這說(shuō)明當(dāng)靜液高度增加時(shí)，床層底部處于分布器域，大氣泡含率相對(duì)較大，床層主體處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，氣泡聚并和破碎達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，床層上部處于泡沫區(qū)域，氣含率相對(duì)較高，大氣泡的破碎較為劇烈。靜液高度在此反應(yīng)器高度3/5左右處大氣泡的含量達(dá)到最大。
3結(jié)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(huì)導(dǎo)致不同的床層局部平均氣含率，在本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)靜液高度H0=0.8m時(shí)床層局部平均氣含率最高。
(2)當(dāng)Ug在0.136~0.196m/s之間時(shí)，固含率在反應(yīng)器軸向分布隨表觀氣速增大趨于均勻；固體進(jìn)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(duì)軸向位置較高點(diǎn)的固體濃度變化影響比較低點(diǎn)更加明顯。
(3)隨著表觀氣速的增加，小氣泡含量逐漸增加，大氣泡含量逐漸減小；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(shí)隨靜液高度增加，在高氣速時(shí)先增大后減小。
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