用于電石生產(chǎn)新型反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)及流動(dòng)性能研究

1、用于電石生產(chǎn)新型反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)及流動(dòng)性能研究用于電石生產(chǎn)新型反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)及流動(dòng)性能研究引言引言隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)石油的需求日益的增大，同時(shí)石油的產(chǎn)量的下降和價(jià)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(jī)遇。電石工業(yè)對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，在電石的生產(chǎn)量和消費(fèi)量上我國(guó)均是世界第一，從2009年的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，西北和華北地區(qū)電石產(chǎn)能進(jìn)一步向內(nèi)蒙、寧夏等地集中，雖然如此，但是產(chǎn)能過(guò)剩、分散的局面仍是

2、我國(guó)電石行業(yè)面臨的基本情況。從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，發(fā)展電石行業(yè)符合我國(guó)“富煤少油”的國(guó)情，如何促進(jìn)我國(guó)電石行業(yè)的健康、和諧發(fā)展值得不斷探索。當(dāng)前我國(guó)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(lái)加熱電弧爐，使其使石灰和焦炭融化產(chǎn)生反應(yīng)，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(diǎn)[1]。針對(duì)電石生產(chǎn)的上述缺點(diǎn)以及電石生產(chǎn)中應(yīng)考慮的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、多相傳遞（包括動(dòng)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(yīng)器以實(shí)現(xiàn)有效的化學(xué)轉(zhuǎn)化?？紤]到電石生產(chǎn)的特點(diǎn)為固固多相接觸反應(yīng)，而且反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)有效化學(xué)轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，反應(yīng)的宏觀性能取決于反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)狀態(tài)和過(guò)程。決定反應(yīng)狀態(tài)和過(guò)程的內(nèi)因是活性位尺度的本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程和反應(yīng)熱力學(xué)性質(zhì)，外因是反應(yīng)器內(nèi)的傳遞性能；反應(yīng)器中內(nèi)、外因是耦合的，這種耦合關(guān)系決定了反應(yīng)器的宏觀性能，因而是反應(yīng)器工程研究的核心內(nèi)容。近來(lái)，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(yīng)和放熱的炭燃燒反應(yīng)，不僅提高熱效率，且可提高反應(yīng)中各相間的接觸效率。針對(duì)該工藝，已提出氣流床反應(yīng)器技術(shù)[3]，也即在反應(yīng)器內(nèi)分區(qū)進(jìn)行炭燃燒和電石合成反應(yīng)，本文將對(duì)此反應(yīng)器進(jìn)行初步的研究?；趯?duì)粉狀殘焦和CaO的高溫反應(yīng)機(jī)理、焦中無(wú)機(jī)組分的作用以及氧熱反應(yīng)狀況下的傳遞行為的認(rèn)識(shí)：粉狀殘焦和CaO為固相，高溫條件下反應(yīng)生成的2CaC為液相，反應(yīng)過(guò)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(lèi)反應(yīng)類(lèi)型的優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型，因此，

5、本文構(gòu)想適用該工藝的兩種反應(yīng)器，一種是淤漿鼓泡床反應(yīng)器，另一種是氣流床反應(yīng)器。作為新型電石生產(chǎn)反應(yīng)器開(kāi)發(fā)的第一步，本文研究其多相流動(dòng)特性，也即在冷態(tài)條件下，對(duì)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(guān)系及規(guī)律；對(duì)氣流床反應(yīng)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(yīng)器軸向及徑向的分布規(guī)律，據(jù)此分析反應(yīng)器的可行性，為新型電石反應(yīng)器的研發(fā)提供借

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

7、等優(yōu)點(diǎn)，所以既可以用于慢熱的反應(yīng)又尺寸及其分布。（3）物性參數(shù)：熱容、反應(yīng)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(yīng)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(fù)雜性，同時(shí)也提供了改進(jìn)反應(yīng)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(dòng)的宏（表）觀特征為

8、依據(jù)的。流型的不同實(shí)際上反映了流動(dòng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，因而不同流型下反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)、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(guò)改變表觀氣速（和或液速），確定流型變化的隨動(dòng)關(guān)系，在此兩個(gè)維度上，多相流床層中可展現(xiàn)多種流型[9]。一般認(rèn)為，在淤漿鼓泡床中的存在三種流型：①均勻鼓泡流：對(duì)應(yīng)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(méi)有大尺度的液體環(huán)流。②非均勻劇烈湍動(dòng)（或聚并鼓泡）流：對(duì)應(yīng)高氣速（和低液速