用于電石生產(chǎn)新型反應器的開發(fā)及流動性能研究

1、用于電石生產(chǎn)新型反應器的開發(fā)及流動性能研究用于電石生產(chǎn)新型反應器的開發(fā)及流動性能研究引言引言隨著科技的進步，工業(yè)的快速發(fā)展，對石油的需求日益的增大，同時石油的產(chǎn)量的下降和價格的上升，使煤炭化工產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，電石化工也得到了重視和發(fā)展的機遇。電石工業(yè)對我國的經(jīng)濟發(fā)展至關重要，在電石的生產(chǎn)量和消費量上我國均是世界第一，從2009年的產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，西北和華北地區(qū)電石產(chǎn)能進一步向內(nèi)蒙、寧夏等地集中，雖然如此，但是產(chǎn)能過剩、分散的局面仍是

2、我國電石行業(yè)面臨的基本情況。從長遠利益考慮，發(fā)展電石行業(yè)符合我國“富煤少油”的國情，如何促進我國電石行業(yè)的健康、和諧發(fā)展值得不斷探索。當前我國的乙炔合成方法主要是電弧法或固定床法，該方法主要的利用電來加熱電弧爐，使其使石灰和焦炭融化產(chǎn)生反應，生產(chǎn)電石，此法雖然歷史悠久，但是存在高能耗、高物耗、高污染的缺點[1]。針對電石生產(chǎn)的上述缺點以及電石生產(chǎn)中應考慮的化學反應熱力學、動力學、多相傳遞（包括動量、能量、質(zhì)量傳遞）等因素，本課題旨在探索

3、一種更加節(jié)能高效的反應器以實現(xiàn)有效的化學轉化?？紤]到電石生產(chǎn)的特點為固固多相接觸反應，而且反應器是實現(xiàn)有效化學轉化的場所，反應的宏觀性能取決于反應器內(nèi)的反應狀態(tài)和過程。決定反應狀態(tài)和過程的內(nèi)因是活性位尺度的本征反應動力學過程和反應熱力學性質(zhì)，外因是反應器內(nèi)的傳遞性能；反應器中內(nèi)、外因是耦合的，這種耦合關系決定了反應器的宏觀性能，因而是反應器工程研究的核心內(nèi)容。近來，劉振宇等[2]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

4、反應和放熱的炭燃燒反應，不僅提高熱效率，且可提高反應中各相間的接觸效率。針對該工藝，已提出氣流床反應器技術[3]，也即在反應器內(nèi)分區(qū)進行炭燃燒和電石合成反應，本文將對此反應器進行初步的研究。基于對粉狀殘焦和CaO的高溫反應機理、焦中無機組分的作用以及氧熱反應狀況下的傳遞行為的認識：粉狀殘焦和CaO為固相，高溫條件下反應生成的2CaC為液相，反應過程中需要的2O和產(chǎn)生的CO為氣相，研究使用（固固=液氣）這類反應類型的優(yōu)化反應器構型，因此，

5、本文構想適用該工藝的兩種反應器，一種是淤漿鼓泡床反應器，另一種是氣流床反應器。作為新型電石生產(chǎn)反應器開發(fā)的第一步，本文研究其多相流動特性，也即在冷態(tài)條件下，對淤漿鼓泡床而言，主要考察操作、物性及幾何參數(shù)與物料相分布、相接觸、相混合特性的關系及規(guī)律；對氣流床反應器，主要考察分析了床層的壓降、床層內(nèi)局部氣速沿軸向及徑向的分布和在氣固兩相條件下床層內(nèi)固體顆粒濃度沿反應器軸向及徑向的分布規(guī)律，據(jù)此分析反應器的可行性，為新型電石反應器的研發(fā)提供借

6、鑒和參考。1.1淤漿鼓泡床反應器淤漿鼓泡床反應器1.1.1淤漿鼓泡床簡介淤漿鼓泡床簡介淤漿鼓泡床反應器（SlurryBubbleColumnReactSBCR）是一種在工業(yè)上非常重要的氣液固三相反應器。它的特點是以液相為連續(xù)相，氣相為分散相的，它不僅可以進行連續(xù)的操作，還可以進行間歇式操作，連續(xù)操作時候后，氣體和液體連續(xù)加入，流動方向可以向上并流或逆流。在SBCR內(nèi)部，結構簡單、熱容量大、燃燒強度高、排放污染物質(zhì)少且容易處理、傳熱強度高

7、等優(yōu)點，所以既可以用于慢熱的反應又尺寸及其分布。（3）物性參數(shù)：熱容、反應熱、粘度、固體顆粒密度等。由上可知影響SBCR傳遞性能（因而反應性能）的因素眾多，如此多樣的聯(lián)系和相互作用的交織增加了復雜性，同時也提供了改進反應器性能的多種可能性。1.1.2流型流型（1）流型的界定：多相流雖然存在相界面，但在各相內(nèi)部仍可定義層流或湍流，例如在多相流的Huler[8]模型中，但在物理上，作為非均相混合物整體，流型界定一般是以流動的宏（表）觀特征為

8、依據(jù)的。流型的不同實際上反映了流動的內(nèi)在結構，因而不同流型下反應器內(nèi)流動、相間質(zhì)量及熱量的傳遞等特性差異很大。多相流流型表征的常規(guī)做法是通過改變表觀氣速（和或液速），確定流型變化的隨動關系，在此兩個維度上，多相流床層中可展現(xiàn)多種流型[9]。一般認為，在淤漿鼓泡床中的存在三種流型：①均勻鼓泡流：對應于低、中氣速（和高液速）條件，特征是氣泡尺寸小且在床層中均勻分布，沒有大尺度的液體環(huán)流。②非均勻劇烈湍動（或聚并鼓泡）流：對應高氣速（和低液速