MALR中甲醇水溶液物系气含率与循环液速研究*

吴晓钰，彭四海,刘永民**

(1.辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001；2.抚顺石化公司 合成洗涤剂厂，辽宁 抚顺 113004)

随着石油资源的日趋枯竭，替代能源的开发应用愈加迫切，应用醇醚燃料替代石油燃料领域正迅猛发展，其中甲醇汽油的应用最为广泛，同时甲醇也是重要的应用广泛的化工原料，近年甲醇产量大幅增长，而在甲醇的大规模生产和使用过程中，伴生出大量含甲醇的废水，废水具有水质水量变化大、高氨氮、天然营养物较少等特点，对该类废水的处理方法也比较多，但一般效果不理想且能耗高[1]，而采用组合工艺是较好的方法[2]，该工艺的关键设备是反应器，提高反应器内的气液接触效率，降低压降是提高废水处理效果、降低能耗的重要研究方向。

环流反应器(LR)因其内部流体有规则地循环流动且具有结构简单、耗能低并有高效的反应物之间的混合、传质、传热性能，近年来已在化学工业、污水处理等许多领域得到了应用[3]。LR有单级与多级之分，多级LR有立式串联和卧式串联之分，多室气升式环流反应器(MALR)属于卧式串联结构，具有独特的可同时引入多路气体、压降低、传质效率高的特点[4-5]，对于污水量较大的甲醇类废水，有必要开发MALR的工程应用。

气含率、循环液速是反映MALR流动性能的重要参数，也是MALR放大设计的重要参数，它与操作气速、物系性质等多种因素有关。迄今，还未见在MALR 中进行甲醇水溶液处理的研究报道，为此研究了MALR中低浓度甲醇水溶液物系的气含率和循环液速的变化规律，以便为该反应器的工程放大及其在处理含醇类废水的应用中提供技术参考，拓展该反应器的应用领域。

1 实验部分

1.1 实验装置及流程

有机玻璃制成的MALR 的结构由主管(D187 mm×5 mm×1 000 mm，见图1)和上部扩大段(D300 mm×5 mm×220 mm，见图2)构成，反应器总高1.32 m，在主管内有十字隔板(1个隔板高0.70 m，另1隔板高0.95 m)将反应器主管分为4个室，1、3室为上升室，2、4室为下降室。在1、3室底部各安装1个由高分子化合物聚合而成的微孔气体分布器(图1)，在3室中间安装一个电导电极，4个室均连接有压差计。

图1 局部MALR主管结构图

实验流程见图2，空气通过压缩机加压后，由微孔气体分布器引入反应器，在顶部离开反应器；反应器内的液体由1室被气体提升绕过隔板进入4室，再由4室底部进入3室，再由3室上升绕过隔板进入2室，最后由2室底部回到1室，从而形成液体的循环流动。

图2 实验流程图

1.2 气含率与循环液速的测量

分别用水、体积分数0.1%、0.5%甲醇水溶液作为液相，空气作为气相而构成3个气液物系。各室的平均气含率采用压差法测量[5]，指示液为四氯化碳。由微元管段动量衡算并忽略流体加速项和流动阻力得到气含率计算式：

(1)

液体循环速度采用以饱和氯化钾为示踪剂的脉冲示踪技术测定。

液体循环一周的时间如下。

(2)

根据液相连续性方程

(3)

式(2)和式(3)联立得出3室液体线速度计算式如下。

(4)

2 结果与讨论

2.1 气含率

2.1.1 各室气含率

在φ(甲醇) =0.1%，固定1室表观气速ug1=0.53 cm/s时,MALR中4个室的气含率与3室表观气速(ug3)的关系见图3。

ug3/(cm·s-1)图3 φ(甲醇)=0.1%、ug1=0.53 cm/s各室气含率与ug3的关系

从图3中可以看出，在ug3<3.55 cm/s时，此时上升室为均匀鼓泡流，随ug3的增大，Eg3明显增大；当ug3>3.55 cm/s，3室内呈过渡流时，随ug3的增大，Eg3的值不再呈明显增长的趋势。这是由于ug3<3.55 cm/s时为鼓泡流状态，此时ug3增大使气泡数增多，从而使Eg3增大。但是，当ug3>3.55 cm/s后为非均匀鼓泡流状态，此时气泡密度大而导致气泡间聚并，形成较大的气泡，大气泡上升速度快，滞留时间短，从而使Eg3的值不再增大，而呈现不规则的波动。

与Eg3的变化规律类似，在鼓泡流范围内，随着ug3的增大，Eg2也明显增大；而在非均匀鼓泡流状态，Eg2值增长趋势减缓，但总是小于3室的气含率。这是由于气液混合物由3室上升绕过隔板进入2室下降，气速增加，进入下降室的气泡也增加，有部分气体从上部离开反应器，因此Eg2

2.1.2 φ(甲醇)的影响

当1室表观气速固定为0.53 cm/s时，不同φ(甲醇)水溶液物系的3室气含率与3室表观气速的关系见图4。

ug3/(cm·s-1)图4 ug1=0.53 cm/s、不同φ(甲醇)，3室气含率与3室表观气速的关系

由图4可见，当3室表观气速固定时，随着甲醇水溶液浓度的升高，3室的气含率逐渐升高。这是由于φ(甲醇)增加，使液相表面张力减小，气泡尺寸减小，因此气含率随甲醇浓度增加而增加。从图4还可以看出空气-水物系达到非均匀鼓泡流的表观气速(3.12 cm/s)低于甲醇水溶液物系的表观气速(3.76 cm/s)，这也是由于水物系表面张力大于甲醇水溶液物系使气泡更易聚并所导致。

2.2 循环液速

2.2.1 表观气速的影响

在鼓泡流区域当固定φ(甲醇)=0.1%时，MALR中3室液体线速度(ul3)与2个上升室表观气速之间的关系见图5。

ug3/(cm·s-1)图5 φ(甲醇)=0.1%，Ug1不同时3室液体线速度与3室表观气速的关系

由图5可知，甲醇水溶液物系的循环液速与2个上升室表观气速均有关，ug1固定且不为0时，甲醇水溶液物系ul3随3室表观气速的增加而增加，近似于线性增加；在ug1=0，且ug3≤1.73 cm/s时，随ug3的增加，3室液体线速度明显增加，当ug3>1.73 cm/s，液速变化不大。同样，在ug3固定时，随ug1的增加，液体速度也是增加的。这是由于在鼓泡流区域，随气体速度的增加，输入的能量增加，气含率也在增加，循环推动力增加，使液体循环速度加快。在ug1=0、ug3较大时，气泡间相互碰撞加剧，液相涡流损失增加，使液体速度变化不大。

2.2.2 φ(甲醇)的影响

MALR中固定ug1=0时，空气-水物系[φ(空气)=0，φ(甲醇)=0]和空气-甲醇水溶液物系[φ(空气)=0，φ(甲醇)=0.1%及φ(空气)=0，φ(甲醇)=0.5%]ul3随ug3的变化规律见图6。

ug3/(cm·s-1)图6 ug1=0、不同φ(甲醇)3室液体线速度与3室表观气速的关系

由图6可见，在ug3固定时，随着甲醇水溶液浓度的升高，ul3逐渐降低。对于纯水与φ(甲醇)=0.1%水溶液，当ug3≤0.96 cm/s时，纯水物系的ul3大于φ(甲醇)=0.1%的ul3；而当ug3>0.96 cm/s时，随着ug3的不断增大，两者的液体速度差别不大。这是由于随甲醇浓度增加，液相表面张力减小，气泡尺寸减小，循环到下降室的气泡增多，导致有大气泡产生而向上运动，阻碍液体向下流动，使液体速度下降。

3 结 论

(1) 在上升室为均匀鼓泡流时，1个上升室的气含率随该室表观气速的增大明显增加；随甲醇水溶液浓度的增加，气含率也增加，且均匀鼓泡流的气速范围也加大。

(2) 甲醇水溶液物系的循环液速与2个上升室表观气速均有关，且均随表观气速的增加而增加，在非均匀鼓泡流区域，液体速度不再增加。随着甲醇水溶液浓度的升高，液体循环速度减小。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 丁宁，李岩岩，蒋白懿，等.甲醇废水处理技术及其应用[J].辽宁化工，2012,41(6)：586-588.

[2] 曾科，买文宁，王敏璞.甲醇生产废水处理技术应用研究[J].化工设计，2009,19(6)：39-41,51.

[3] 丁富新，李飞，袁乃驹.环流反应器的发展及应用[J].石油化工，2004，33(9)：801-807.

[4] 刘永民，刘铮，袁乃驹.多管环流反应器的流动和传质特性[J].化工学报，2001，52(3)：222-225.

[5] 刘永民，胡华，丁富新，等.多室气升式环流反应器的流动特性研究[J].石油学报(石油加工)，1996，12(1)：73-78.