用于电石生产新型反应器的开发及流动性能研究.doc

用于电石生产新型反应器的开发及流动性能研究 引言 随着科技的进步，工业的快速发展，对石油的需求日益的增大，同时石油的产量 的下降和价格的上升，使煤炭化工产业得到了迅速发展，电石化工也得到了重视和发 展的机遇。电石工业对我国的经济发展至关重要，在电石的生产量和消费量上我国均 是世界第一，从2009 年的产量统计数据看，西北和华北地区电石产能进一步向内蒙、 宁夏等地集中，虽然如此，但是产能过剩、分散的局面仍是我国电石行业面临的基本 情况。从长远利益考虑，发展电石行业符合我国“富煤少油”的国情，如何促进我国 电石行业的健康、和谐发展值得不断探索。 当前我国的乙炔合成方法主要是电弧法或固定床法，该方法主要的利用电来加热 电弧炉，使其使石灰和焦炭融化产生反应，生产电石，此法虽然历史悠久，但是存在 高能耗、高物耗、高污染的缺点[1]。 针对电石生产的上述缺点以及电石生产中应考虑的化学反应热力学、动力学、多 相传递（包括动量、能量、质量传递）等因素，本课题旨在探索一种更加节能高效的 反应器以实现有效的化学转化。考虑到电石生产的特点为固-固多相接触反应，而且反 应器是实现有效化学转化的场所，反应的宏观性能取决于反应器内的反应状态和过 程。决定反应状态和过程的内因是活性位尺度的本征反应动力学过程和反应热力学性 质，外因是反应器内的传递性能；反应器中内、外因是耦合的，这种耦合关系决定了 反应器的宏观性能，因而是反应器工程研究的核心内容。 近来，刘振宇等[2]提出一种新型氧热法电石生产工艺，该法直接耦合吸热的电石 生成反应和放热的炭燃烧反应，不仅提高热效率，且可提高反应中各相间的接触效率。 针对该工艺，已提出气流床反应器技术[3]，也即在反应器内分区进行炭燃烧和电石合 成反应，本文将对此反应器进行初步的研究。 基于对粉状残焦和CaO的高温反应机理、焦中无机组分的作用以及氧热反应状况 下的传递行为的认识：粉状残焦和CaO为固相，高温条件下反应生成的2CaC 为液相， 反应过程中需要的2O 和产生的 CO 为气相，研究使用（固+固=液+气）这类反应类型 的优化反应器构型，因此，本文构想适用该工艺的两种反应器，一种是淤浆鼓泡床反 应器，另一种是气流床反应器。作为新型电石生产反应器开发的第一步，本文研究其 多相流动特性，也即在冷态条件下，对淤浆鼓泡床而言，主要考察操作、物性及几何 参数与物料相分布、相接触、相混合特性的关系及规律；对气流床反应器，主要考察 分析了床层的压降、床层内局部气速沿轴向及径向的分布和在气固两相条件下床层内固体颗粒浓度沿反应器轴向及径向的分布规律，据此分析反应器的可行性，为新型电 石反应器的研发提供借鉴和参考。 1.1 淤浆鼓泡床反应器 1.1.1 淤浆鼓泡床简介 淤浆鼓泡床反应器（Slurry Bubble Column Reactor, SBCR）是一种在工业上非常 重要的气-液-固三相反应器。它的特点是以液相为连续相，气相为分散相的，它不仅 可以进行连续的操作，还可以进行间歇式操作，连续操作时候后，气体和液体连续加 入，流动方向可以向上并流或逆流。在SBCR 内部，结构简单、热容量大、燃烧强度 高、排放污染物质少且容易处理、传热强度高等优点，所以既可以用于慢热的反应又 可以用于强热的反应[4]。近些年来，SBCR 的应用场合包括化学及生物化工等领域[5]， 涉及诸如氧化、加氢、烷基化、聚合、Fischer-Tropsch（F-T）合成、液相甲醇合成、 废水处理、煤的直接液化等催化反应过程，也见诸非催化和生物过程[6]。 在淤浆鼓泡床中，气相以分散的气泡形式与浆相（液相+悬浮的固体颗粒）相接 触。工业实用中，液相一般作为反应物（如用于加氢场合的2H ），其表观气速可达 0.4 m/s ；液相为反应物，也可以是产物或者是惰性的（换热）介质，其表观速度在间歇 操作下为零，在连续操作下也远远小于表观气速（至少 1 个数量级）；固体多为催化 剂颗粒，特征尺寸5-150?m，其在床层中的体积分率可高达 50%[6]，主要受液体以及 气泡尾涡的分散和曳带作用而处于流化状态；反应器高径比介于 2-20间，有的反应器 直径可达10 m、高30 m。图3-1例示了一个SBCR 反应器，其中，气体经预分布器 分散后连续进入床层，床层中的换热器构件用于调节或控制床层温度（如移除加氢过 程的反应热）。 取决于不用的应用环境，SBCR 的形式多种多样；基本地，可以按照操作模式和 有无内构件加以分类。就操作模式而言，可以是间歇或连续操作，视液相（或浆相） 是否连续进出反应器而定。在连续模式下，操作一般为气液（浆）并流操作，实用中， 也存在逆流操作的情形，其时，液体顺重力场下行[7]，如此可增加气泡在床层中的停 留时间以