改善带列管浆态鼓泡塔流动特性的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种改善带换热列管浆态鼓泡塔流动特性的方法及其装置。
背景技术
气液鼓泡塔或气液固三相鼓泡反应器(也称浆态床鼓泡塔)是一种在化工、能源、环境、生化等许多领域应用很广的反应装置,用于气液两相或气液固三相的传质与反应操作,例如费托合成、加氢液化、羰基化、氧化、卤化、发酵、气体吸收等过程。浆态床反应器设计与放大中遇到的困难主要有两个方面,一是移热问题,二是返混问题。对于反应器的移热问题,工业鼓泡塔或浆态床反应器一般都在床内安装密集的垂直列管束来对反应浆料进行换热,有关列管换热器的设计与列管束的配置已经有不少公开的和专有的方法介绍,例如参考文献[1,2]与专利[3,4]中介绍的方法。
反应器中流体的返混是指不同停留时间的流体质点之间的混合,是流动不均匀性的一种度量。返混对于反应器的性能、特别是气相反应物的转化效率影响很大,是放大中的一个不利因素。对于鼓泡塔或浆态床中流体的返混问题,目前大量的研究工作主要是针对无列管的空塔来进行。已经认识到,对于空塔,流体速度在径向上的分布存在很大的不均匀性:在塔中心区域,气-液两相向上流动,流速较高;在靠近塔壁的区域,气液向下运动,流速较低。中心区气含率较高,近壁区气含率低。流体的返混速率与这种速度分布的不均匀性直接相关,与塔中心的最大速度成正比,而中心区最大速度还随着塔径的增大而增大。这样,在反应器放大之后,气体与液体的返混也将随之急剧增大,导致反应器性能降低,尤其对于气相反应物的转化更为不利,严重时还会形成气体沿塔中心短路,气液接触不良,造成安全隐患。
有鉴于此,本发明人在专利[5]和文献[6]、[7]中首次提出了“阻尼内构件”的概念,提出在塔中心流速较高的区域设置一定密度的水平杆件、翅片或网格,阻碍过高的流体速度,减少返混,促进气液传质。但是,上述改善流场分布的工作都是针对无列管束的空塔反应器来进行的,安装列管束以后浆态床或鼓泡塔中的流体力学行为目前还很少有人研究,相关的流动规律也不够清楚。在现有的专利中曾经提出了一些改变列管或垂直内构件布置方式的措施来改进流动分布,减少返混。例如,专利[8]提出在塔中心区列管应密集布置、在外围区稀疏布置,认为这样可以阻碍流体在中心区的过快流速,改善流速分布。专利[9]提出在塔中设置多个垂直的带夹套的圆筒,圆筒内外流通气泡和浆料,夹套内通冷却介质,认为这种布置能够改善流体返混,提高反应器性能,但是,上述措施都没有直接的流动测量数据支持。
近来本发明人采用专门的实验技术对安装有垂直列管束的鼓泡塔中的速度分布和气含率分布进行过详细测定,发现垂直列管束加入后,不但不会使流速分布与气含率分布趋于平坦,反而会使其更为陡峭(参见对比例1),这就使得气液返混更为严重,带换热列管的反应器放大比空塔更为困难。因此,针对带有垂直列管束的鼓泡塔或浆态床反应器,需要采用专门的技术措施来克服其严重的流动不良分布和返混加剧的问题。
参考文献与专利
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[6]陈斌,王丽雅,李希。带阻尼内构件鼓泡塔的研究(I):内构件对流速分布的影响。化学反应工程与工艺,2006,22(4):317-323.
[7]王丽军,王丽雅,张煜,周青钠,李希,带阻尼内构件鼓泡塔的研究(II):内构件对气液传质速率的影响,化学反应工程与工艺,2007,23(4):109~113。
[8]YiJ,Jianping Zh,Rafael L E,Harold A W,Gas agitated multiphase catalyticreactor with reduced backmixing,US 7022741B2,2006.
[9]Steynberg A P,Production if liquid and,optionally,gaseous products fromgaseous reactants,WO2006097906,US2008146682A1,2006.
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发明内容
本发明的目的是提供一种改善带列管浆态鼓泡塔流动特性的方法与装置,利用该方法及装置减少鼓泡塔中流体的流速分布不均,减少气液相返混,改善浆态鼓泡塔流动特性。
本发明提出的改善带换热列管浆态鼓泡塔流动特性的方法是,在安装有垂直列管束的浆态鼓泡塔中,加入水平的网格型阻尼内构件,利用水平阻尼内构件阻碍塔内浆料与气泡的流动,遏制列管束造成的流动陡峭化效应,改善浆态床的流动特性。
用于实现本发明的改善带换热列管浆态鼓泡塔流动特性方法的装置,包括塔体,气体分布器,垂直换热列管束,垂直换热列管束的下端与固定在塔体下方的液体分配器连接,上端与固定在塔体上方的集液器连接,其特征是在液体分配器与集液器之间布置多层水平网格型阻尼内构件,换热列管束垂直穿过多层水平网格型阻尼内构件,每一层网格固定在塔壁和列管上。
在工作状态下,反应器内部装有气液两相或气液固三相反应物料,其鼓泡液位在塔体的上部,与换热列管的上部出口位置接近。换热列管束与多层水平阻尼网格以及气体分布器均浸没在反应物料中,气体通过气体输入管从塔底的气体分布器鼓泡通入塔内,与反应浆料接触后离开液位,从尾气管输出塔外。液固相反应浆料通过进料管加入塔内,与气体反应物进行接触和化学反应,反应产物由出料管输出塔外。冷却水或加热介质通过换热介质入口管和液体分配器进入换热列管束中,通过管壁与床内浆料换热后再通过集液器和换热介质出口管输出塔外。浆态鼓泡塔中流体速度在径向上的分布很不均匀,塔中心区域,气-液两相向上流动,流速较高;塔壁区域,气液向下运动,流速较低,垂直换热列管束加入后,这种不均匀性变得更为严重,通过在带换热列管浆态鼓泡塔中安置多层水平网格型阻尼内构件,对中心区速度较快的流体在流动方向上施加了一个较大的形体阻力,降低了鼓泡塔的中心流速,使速度分布趋于平坦,借此起到整流的效果,从而改进反应器的流动特性。
本发明可以通过调整垂直换热列管束与水平网格之间的设计参数,改进浆态床的流动特性。
本发明中,水平阻尼网格的设计参数主要有两项:阻尼面积密度(=多层网格经纬线或骨架的总横截面积/包围网格的浆料体积)与该面积密度的径向分布。阻尼面积密度的大小满足对浆料流动“阻而不挡”的原则,既要施加一定的阻力,又不能阻碍过度。合适的阻尼面积密度值为0.1~5m2/m3,优选的阻尼面积密度值为0.3~2m2/m3。网格密度在塔横截面上的分布可以是均匀的,也可以是不均匀的。优化的分布形式是在塔中心区密集、外围区域稀疏的分布,因为塔中心区域速度最高,气体最多,容易造成气液接触不良和气体短路,将阻尼网格集中布置在中心区域可以发挥最大的阻尼作用,采用较少的阻尼网格就可以达到最佳的流动改善效果。一般地,换热列管的管径为20mm~80mm、管间距为60mm~250mm。
本发明中,阻尼内构件的网格由金属丝、杆连接或带状材料编织构成,其功能是提供一定的阻尼面积来阻碍塔内浆料与气体的流动,调整流速分布,强化气液传质。网格中网孔可呈任意几何形状,可以是正方形、菱形、圆形或其它形状,网孔的大小应当允许气泡与浆料自由流通,网格经纬线或骨架的粗细要对流体施加一定的阻力,即网格的设计既要对流体有阻碍性,又要有通透性。网格经纬线或骨架的尺寸应当与气泡的平均直径相当或接近,过粗或过细都不利于分散气泡。合适的网孔当量直径(=4×孔面积/孔周长)为2mm~40mm,网格经纬线或骨架的粗细为1mm~10mm。
本发明给出的改善带换热列管浆态鼓泡塔流动特性的方法与空塔不同,在有垂直换热列管束的情况下,网格密度的配置与空塔气速(=进入塔内的气体体积流量/塔横截面流通面积)和换热列管密度有关。在有换热列管束情况下,水平阻尼构件的阻尼作用比空塔时更为显著,同样密度的阻尼网格可以使带列管的塔中心速度的降幅比空塔更大,说明在带列管束的塔中阻尼网格更为有效。列管束越密集,气速越高,阻尼网格的作用就越显著,达到一定阻尼效果所需要的阻尼网就越少。特别是,在高气速的情况下,加入比空塔更少的阻尼网格就能够使带列管的塔中速度分布比空塔中的速度分布还更为平坦。
本发明的有益效果在于:在浆态鼓泡塔内同时布置垂直换热列管和水平网格型阻尼构件,其中列管束用于换热,网格用于调整流速与气含率分布,使用该方法及装置可大大减少气液相返混,提高浆态鼓泡塔反应性能,降低浆态鼓泡塔放大困难。本发明适用于气液两相或气液固三相强放热/吸热反应过程,适用于各种塔径、高径比、以及带扩大段和其它内构件的浆态鼓泡塔结构。
附图说明
图1是本发明的改善带换热列管浆态鼓泡塔流动特性的装置示意图;
图中:1-塔体,2-网格型阻尼内构件,3-气体分布器,4-垂直换热列管束,5-气体输入管、6-尾气管,7-进料管,8-出料管,9-换热介质入口管,10-液体分配器,11-集液器,12-换热介质出口管,13-浆料液位。
图2是均匀分布的网格型阻尼层单元示意图;
图3是中心分布的网格型阻尼单元示意图;
图4是中心密集、环隙稀疏的阻尼网格单元示意图;
图5~10是不同条件下测定的液体轴向速度的径向分布图,测定平面位于气体分布器上方2250mm处,横坐标r/R为无量纲径向位置,r为径向坐标,R为鼓泡塔半径,r/R=0为中心位置,r/R=1为壁面位置;纵坐标为测定的轴向速度,速度为正值表示向上流动,负值表示向下流动。
具体实施方式
参照图1,改善带换热列管浆态鼓泡塔流动特性的装置,包括塔体1,塔内安装有气体分布器3,垂直换热列管束4以及气体和浆料进出管线,垂直换热列管束的下端与固定在塔体下方的液体分配器10连接,上端与固定在塔体上方的集液器11连接,在液体分配器10与集液器11之间布置多层水平网格型阻尼内构件2,换热列管束4垂直穿过多层水平网格型阻尼内构件2,每一层网格固定在塔壁和列管上。
在工作状态下,反应器内部装有气液两相或气液固三相反应物料,其鼓泡液位在塔体的上部,与换热列管的上部出口位置接近。换热列管束与多层水平阻尼网格以及气体分布器均浸没在反应物料中,各层水平阻尼网格位于气体分布器上方,固定在塔壁面或列管束上。气体通过气体输入管5从塔底的气体分布器3鼓泡通入塔内,与反应浆料接触后离开液位,从尾气管6输出塔外。液固相反应浆料通过进料管7加入塔内,与气体反应物进行接触和化学反应,反应产物由出料管8输出塔外。冷却水或加热介质通过换热介质入口管9和液体分配器10进入换热列管束4中,与床内浆料换热后再通过集液器11和换热介质出口管12输出塔外。塔内的气液固三相反应物在气泡的搅动下处于湍动鼓泡流状态,多层水平网格型阻尼内构件的设置,可以对垂直换热列管束引起的塔中心区速度较快的流体在流动方向上施加了一个较大的形体阻力,降低鼓泡塔的中心流速,使速度分布趋于平坦,借此起到整流的效果,改进反应器的流动特性,同时能够保证固体悬浮和良好的混合,使温度和浓度处于比较均匀的状态。
图2~图4给出了几种典型的阻尼网格类型,其中图2采用了网孔在整个横截面上均匀布置的多层网格。图3仅在塔截面的中心区布置网格,环隙区无网格,同时采用横向格栅固定换热管束与阻尼网格,相邻两层网格的横向格栅互成90°角交错排列,可起到增加流体湍动、促进传热传质的作用。图4在中心区采用密集的网孔,而在环隙区采用较稀疏的环形/放射形杆件,目的是得到一种中心密集、外围稀疏的阻尼面积密度分布,用最少的阻尼网格达到最佳的阻尼效果。显然,图2~4仅仅给出了几种具体的阻尼网格单元的结构与形状,用于举例说明本发明的技术特征,它没有也不可能包括所有的阻尼内构件的形状与类型。任何对于水平网格或阻尼内构件的形状与结构参数的改变都属于本专利的权利要求范围,因为它不会改变本专利的技术特征。
实施例1
浆态床冷模实验装置,直径为500mm、液位高4000mm,底部安装多孔板气体分布器。气体分布器的上方至液位均匀布置多根长4000mm、直径25mm的镀锌铁制垂直换热管。塔的中段流动充分发展区均匀布置10层如图2所示的网格型阻尼构件,网孔为菱形,每层阻尼网均匀布置在整个塔横截面上,垂直换热列管束垂直穿过10层网格型阻尼构件。列管束及阻尼网格的具体结构参数列于表1,其中的阻尼面积密度AR(m2/m3)为多层网格经纬线的总横截面积/包围网格的浆料体积。网格通孔率为单位面积的网格内,网孔面积所占的百分率。带列管的浆态床表观气速按除去列管后的流通面积计算,即进气总流量(m3/s)/除去列管所占截面积后的塔横截面积。实验物系为空气-水体系,轴向液速分布采用Pavlov管测量,气含率分布采用双电导探针测量,相关的测量方法细节参见文献[6]、[7]的介绍。液速与气含率测量平面位于分布器上方2.25米的塔横截面上,测量平面的下方布置6层阻尼网,上方布置4层阻尼网。测点位于两层阻尼网的中间位置,可沿塔的直径方向移动,从而给出速度与气含率的径向分布。
表1 实施例1的内构件结构参数
内构件 | 列管间距(mm) | 阻尼网层间距(mm) | 阻尼面积密度AR(m2/m3) | 网格通孔率(%) | 网线直径(mm) | 网孔当量直径(mm) |
列管束 | 60 | 无网格 | 无网格 | 无网格 | 无网格 | 无网格 |
列管束+大孔网格 | 60 | 200 | 1.1 | 79 | 2.7 | 13.4 |
列管束+小孔网格 | 60 | 200 | 1.7 | 66 | 1 | 3.2 |
实验考虑了两个空塔气速:0.19m/s与0.62m/s,比较了两种网格的阻尼效果:大孔网格,阻尼面积密度1.1m2/m3;小孔网格,阻尼面积密度1.7m2/m3。两种操作气速下带列管束的鼓泡塔中不同密度阻尼网的流速分布分别示于图5与图6,塔中心最大液速与最大气含率值代表其分布的陡峭性,列于表2,图表中同时还给出了不加阻尼网时的速度分布与中心最大值。从图5、图6及表2中可以归纳出以下3点规律:
1.无论较高的气速与较低的气速,与不加阻尼网的情况比较,加入阻尼网后都导致中心液速大幅下降,流速分布趋于平坦,中心最大液速的下降幅度在40~74%之间,中心气含率也有显著降低。说明在有列管束的鼓泡塔中加阻尼网效果十分明显,能够大幅度降低塔中心的流速与气含率,使二者的分布由陡峭趋于平坦,有利于提高反应器性能和放大设计。
2.比较不同密度阻尼网的效果,可以看到,阻尼网越密集,或阻尼面积密度越大,阻尼效果越好。但网格密度增大到一定程度后,速度分布进一步改进的余地不大了。大孔网格(阻尼面积密度1.1m2/m3)与不加网格的情况比较,流速分布有很大幅度的改进;但小孔网格(阻尼面积密度1.7m2/m3)与大孔网格的阻尼效果比较,流速分布只有小幅度的改进。因此,网格密度并非越密集越好,而是有一个合适的范围。
3.比较两种气速0.19米/秒与0.62米/秒下的网格阻尼效果,可以看到,气速越高,网格的阻尼作用越强,阻尼效果越好。因此,合适的阻尼网密度还与操作气速有关。在高气速下,只需少量的阻尼网就可以达到抑制流速的目的,进一步增加网格密度效果有限;在较低气速下,需要较多的网格才能达到一定的阻尼效果。
表2实施例1:不同条件下中心液速、中心气含率比较
对比例1
本对比例是在实施例1所述的鼓泡塔中,除去多层水平网格,布置不同的列管束密度,然后测定无列管或不同列管密度下的液相速度与气含率分布,目的是考察加入列管束后速度分布是趋于平坦还是趋于陡峭,以此考虑加入水平阻尼构件的作用与必要性。
实验装置与测量方法仍与实施例1相同,内部列管的结构参数参见表3。速度与气含率测量位置仍然与实施例1相同,在分布器上方2.25米处,属于流动的充分发展段。对空塔气速从0.12米/秒到0.62米/秒的范围进行了速度分布与气含率分布的测定,结果示于图7(a)~(d)与表4。图7中列管数N=0表示无列管的空塔情况,N=18为列管稀疏配置,N=40为列管密集配置,加列管后的表观气速按横截面上的流通面积来定义,即进气总流量(m3/s)/除去列管后的塔横截面积。从图7(a)~(d)中可以清楚地看到,在实验所考虑的所有表观气速下(0.12~0.62m/s,属于湍动鼓泡流状态),列管的加入均使塔中心区域的液速显著地增大,速度沿径向的分布更为陡峭;列管越密集,这种陡峭化的趋势就越显著。为了定量表征这种列管效应,表4给出了塔中心最大液速(向上)在不同条件下的测量值。从中可以看到:1)列管束的加入使中心液速显著提高,其增幅达到43~125%,使得流速分布更为陡峭;2)较低气速和较高的列管密度下,列管束对流动的影响更为明显,在高气速下,列管束的影响相对趋于平缓。
实验测定的气含率分布与速度分布具有相似的规律,即随列管数的增加气含率分布也趋于陡峭,而平均气含率却变化不大。表4中同时也列出了不同列管密度下测定的塔中心气含率值,它是气含率径向分布陡峭性的度量。
对比例1的结果说明,在鼓泡塔或浆态床中加入垂直列管束以后,速度分布与气含率分布都会变得比空塔时陡峭得多,因此,带列管束的鼓泡塔中流体返混与气体短路的问题将更为严峻,更加有必要采用本发明提出的阻尼内构件来改善流动状况。
表3 对比例1:操作条件及结构参数(无横向阻尼网)
列管数N | 列管直径(mm) | 列管长度(mm) | 管中心间距(mm) | 管束截面积/塔截面积(%) |
0(空塔) | 无列管 | 无列管 | 无列管 | 0 |
18(稀疏分布) | 25 | 4000 | 90 | 5.3 |
40(密集分布) | 25 | 4000 | 60 | 11 |
表4 对比例1:竖直列管束对中心液速和气含率的影响
对比例2
为了进一步比较水平网格型阻尼构件在空塔(无列管)和带垂直列管束的塔中的不同阻尼效果,本对比例进行了两组实验:一组是在无列管束的空塔中加入与实施例1中相同的10层阻尼网格,测定加入阻尼网前后的速度分布,得到空塔中网格的阻尼效果;另一组是在安装有密集列管的塔中,加入同样密度与参数的阻尼网,测定加入阻尼网前后的速度分布,得到列管塔中网格的阻尼效果。最后,通过空塔与列管塔中同样网格的不同性能,进一步说明本发明的技术特征。
仍采用与实施例1相同的实验装置与测试方法,阻尼网与列管的参数列于表5,其中列管数N=40,为密集分布,网格采用面积密度较高的小孔网格。表观气速仍然采用0.19米/秒和0.62米/秒两个操作条件。这两个气速下测定的空塔与带列管束的塔中加阻尼网前后的速度分布分别示于图8与图9,中心速度测定值示于表6。
在图8和图9中,对比空塔与带列管束的塔中同样水平网格的阻尼效果可知,在不同的操作气速下,列管塔中网格的阻尼作用都要显著地大于空塔中的阻尼效果,例如,从表6可知,在较低气速(0.19米/秒)下,空塔中加入网格后中心速度仅降低32%,而列管塔中加入网格后中心速度下降了49%;在高气速(0.62米/秒)下,空塔中网格的阻尼作用是使中心速度降低了18%,而列管塔中则使其降低了74%,说明在有列管或列管越密集的情况下,水平阻尼构件的阻尼效果越好。特别是,从图9中可以看到,在高气速的情况下,虽然带列管的塔中速度分布比空塔要陡峭得多,但加入同样密度的阻尼网就能够使带列管束的塔中速度分布比空塔中的速度分布还更为平坦。说明在带列管束的塔中阻尼网更为有效,也更为必要。列管束越密集,气速越高,达到一定阻尼效果所需要的阻尼网就越少。
表5 对比例2:内构件结构参数
内构件 | 列管间距(mm) | 阻尼网层间距(mm) | 阻尼面积密度(m2/m3) | 网格通孔率(%) | 网孔当量直径(mm) |
空塔+阻尼网 | 无列管 | 200 | 1.7 | 66 | 3.2 |
列管+阻尼网 | 60 | 200 | 1.7 | 66 | 3.2 |
表6 对比例2:不同情况下的塔中心速度
实施例2
除了阻尼面积密度之外,阻尼面积密度沿径向的分布也是表征网格型阻尼内构件性能的一项重要参数。为了考察不同阻尼面积密度分布对流速的影响,本实施例比较了两种网格分布:一种是将阻尼网均匀布置在整个塔横截面上,另一种是仅仅在塔的中心区布置阻尼网格,外围区无阻尼网格。仍采用与实施例1同样的密集列管(列管数N=40),和同样参数与层数的小孔网格(列管与网格参数列于表1最后一行)。与实施例1不同的是,本例中各层网格的直径仅为塔径的一半(250mm),布置在塔中心区域。在网格外沿到塔壁的圆环型外围区域内,仅有列管而无阻尼网或其它任何水平阻尼构件,相当于网格的阻尼面积密度在中心区为1.7m2/m3,外围区为0,呈阶跃式分布。此时按全塔体积平均的阻尼面积密度仅为0.43m2/m3,约占均匀布网情况下的1/4。这种情况下测定的塔内速度分布示于图10,作为对比,图中同时还给出了无网格和全截面均布网格两种情况的速度分布。从图10中可以看出,中心布网的阻尼效果优于均匀布网。采用中心布网后,虽然阻尼面积只有均匀布网时的25%左右(0.43m2/m3:1.7m2/m3),但中心液速却比均匀布网时下降了一半(从0.66米/秒降至0.32米/秒),速度分布更为平坦。这是因为中心区布置阻尼网格后,气泡与流体趋向于从阻力小的环隙区绕流,从而使流速与气含率的分布趋于均匀。因此优化的阻尼网结构为中心密集、边缘稀疏的分布,可采用最少的阻尼网格达到最佳的流速调控效果。
以上各实施例与对比例分别考察了空塔、只加列管束、只加水平阻尼网、同时加列管束与阻尼网、中心阻尼网与全截面阻尼网各种情况下的速度分布测定结果,从各方面举例阐明了本发明的技术特征。本发明的适用范围也不限于上述实例中的情况,任何对于鼓泡塔和阻尼内构件结构与形状的改变都不会改变本发明的技术特征。