【摘 要】
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气固密相流化床广泛应用于石油化工、煤化工、生物化工等多个领域。甲醇制烯烃过程为典型的气固密相流化床工艺之一。甲醇制烯烃反应过程是气体分子数增大的反应,气相分子数变化引起反应器内气体线速不断变化,从而影响反应器内气固流动特性,进而影响甲醇制烯烃的反应特性及产品分布。因此,研究变气速密相流化床气固流动特性,可为甲醇制烯烃等工艺过程设计提供必要的基础数据和理论依据。本研究搭建直径为200 mm,高4.5
【基金项目】
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自然科学基金项目（91834302和91534204）；
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气固密相流化床广泛应用于石油化工、煤化工、生物化工等多个领域。甲醇制烯烃过程为典型的气固密相流化床工艺之一。甲醇制烯烃反应过程是气体分子数增大的反应,气相分子数变化引起反应器内气体线速不断变化,从而影响反应器内气固流动特性,进而影响甲醇制烯烃的反应特性及产品分布。因此,研究变气速密相流化床气固流动特性,可为甲醇制烯烃等工艺过程设计提供必要的基础数据和理论依据。本研究搭建直径为200 mm,高4.5 m密相流化床实验装置,以甲醇制烯烃工艺为基础设计变气速条件,详细研究了变气速密相流化床气固流动特性,重点研究变气速密相流化床内气泡和颗粒聚团特性。首先,系统研究了变气速密相流化床内气固流动特性。反应器轴向上,颗粒浓度和颗粒速度分别呈现“指数型”和“倒C型”不均匀分布特点。依据颗粒浓度沿反应器轴向分布特性,自下而上可划分为三个区域:底部密相段、中间过渡段和顶部稀相段,三个区域对应的颗粒浓度波动范围分别为:0.150～0.250,0.050～0.150和0.005～0.050。依据颗粒速度沿轴向分布,自下而上可划分为底部加速区和上部减速区,且在加速区和减速区交界位置处存在最高颗粒速度,最高可达0.80m/s。反应器径向上,颗粒浓度和颗粒速度则分别呈现“中心稀,边壁浓”和“中间高,边壁低”的不均匀分布特征,不同操作条件下颗粒浓度径向上处于0.004～0.300之间,颗粒速度径向上波动幅度最高可达1.8 m/s。与恒气速密相流化床气固流动特性相比,变气速密相床内颗粒浓度、颗粒速度轴径向分布更加均匀,气固接触及混合特性更加优越。其次,系统探索了变气速密相流化床内气泡特性分布规律。气泡相时间分数分布范围在17%～53%之间,且气泡相时间分数随表观气速的增加而整体增加,随静床高度的增加而整体降低,随径向位置的增加而降低;气泡相浓度分布规律与颗粒浓度分布规律较为相似,且气泡相浓度整体低于颗粒浓度,两者的差值在0.02～0.15之间;气泡尺寸在某一轴向高度存在最大值,最大气泡尺寸可达25 mm,且最大气泡尺寸与轴径向位置和操作条件紧密相关。与恒气速密相流化床气泡分布特性相比,变气速情况下,密相流化床内气体量更高,更有利于气泡的形成及生长。最后,研究了变气速密相流化床内颗粒聚团特性分布规律。颗粒聚团时间分数分布范围在8%～30%,相比于恒气速条件,变气速条件下颗粒聚团时间分数对轴径向位置变化不敏感,对操作条件变化较为敏感;颗粒聚团浓度处于0.08～0.42之间,变气速条件下颗粒聚团浓度轴向分布较为均匀,且受操作条件影响较小;颗粒聚团尺寸分布范围在1～8 mm,变气速条件下颗粒聚团尺寸分布范围较窄,平均颗粒聚团尺寸稍有增加;颗粒聚团产生频率处于2～20 Hz之间,变气速条件下颗粒聚团产生频率在底部区受操作条件影响更大,而顶部区,操作条件对颗粒聚团产生频率几乎无影响;颗粒聚团维持时间在4～14 ms之间,变气速条件下颗粒聚团维持时间分布特征与颗粒浓度分布特征较为相似,颗粒浓度越高,颗粒聚团维持时间越长;颗粒聚团速度在-0.2～0.3 m/s之间,变气速条件下颗粒聚团速度轴径向分布更加均匀,但是进入充分发展区对应轴向高度几乎不发生变化,恒气速和变气速条件下颗粒聚团进入充分发展区对应轴向高度差在0.1 m以内。与恒气速密相流化床颗粒聚团分布特性相比,变气速情况下,密相流化床内气固间湍动程度更加剧烈,不利于颗粒聚团稳定存在,颗粒聚团结构更易被破坏。
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