加压环流反应器冷模实验研究

论文摘要

煤炭直接液化是在高温、高压的条件下进行的气-液-固多相强放热反应,对于任何一个煤炭液化工艺而言,其整套设备的核心部分是煤炭液化反应器,然而我国目前并没有真正解决煤炭直接液化反应器的工程放大问题,神华集团煤炭液化示范厂采用的是美国专有技术-强制循环悬浮床反应器,这种工艺与传统的鼓泡床相比具有传质系数高、煤浆混合均匀、不易沉积等特点,但是该反应器需配备强制循环泵,而这种泵的价格昂贵,操作条件十分苛刻,长时间的运转有较大风险。973计划项目“大规模煤炭直接液化的基础研究”拟开发一种环流反应器,其工作原理是在反应器内部设置同心的套筒,利用上升和下降段浆体气含率不同产生的密度差使反应物料在反应器内形成上下循环流动,达到浆体循环以及相间较高的传质和传热系数。环流反应器与美国的强制循环泵反应器相比省去了昂贵且运行风险大的强制循环泵,却也能达到相同或者是更为良好的反应效果,并能提高反应器的自身的操作稳定性。虽然环流反应器具有上述的优点,但在煤炭直接液化领域尚无应用的先例。为了使这种反应器能够大规模应用于煤炭直接液化,实现技术创新,就必须深入研究大尺寸环流反应器多相流体力学和传递规律,研究放大规律,为煤炭直接液化大规模产业化提供理论基础和技术创新依据。由于煤炭直接液化工艺处理的煤粉及催化剂的平均粒径很小（微米级）,可以将溶剂和固相的混合体看作一种拟均相流体,将气-液-固三相流视为气-拟均相两相流,因此,可以对煤液化反应器采用气-液两相流进行近似模拟。本论文以973项目建立的环流反应器加压冷模为实验平台,采用纯水、氮气等进行加压冷模实验,测量了不同工况模拟条件下的反应器局部参数,采用突然停气实验测定了气泡自由浮升速度。本论文采用能量守恒和物料平衡的方法,建立了反应器流动模型,并对环流反应器进行了模型计算,计算结果与试验数据能吻合一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 序言
• 第一章 文献调研
• 1.1 环流反应器的分类
• 1.1.1 按物料流动形式和反应器结构
• 1.1.2 按组成形式
• 1.1.3 按驱动流体的类型
• 1.2 气液两相环流反应器流动形态
• 1.3 气含率
• 1.3.1 表观气速的影响
• 1.3.2 表观浆速的影响
• 1.3.3 系统压力的影响
• 1.3.4 液体物理性质的影响
• 1.3.5 固体的影响
• 1.3.6 反应器结构的影响
• 1.4 循环液速
• 1.4.1 表观气速的影响
• 1.4.2 液体物理性质的影响
• 1.4.3 固体的影响
• 1.4.4 反应器结构的影响
• 1.5 环流反应器内参数的测量
• 1.5.1 气含率的测定
• 1.5.2 循环液速的测定
• 1.6 流动模型
• 1.7 总结
• 1.8 论文研究内容
• 第二章 实验设备和测试方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验流程
• 2.3 实验条件
• 2.4 实验方法
• 2.5 各项数据测量方法
• 2.5.1 气含率
• 2.6 循环液速的测量
• 2.6.1 靶式流量计
• 2.6.2 阿牛巴流量计
• 2.7 基于 PLC的计算机控制系统
• 2.8 本章小结
• 第三章 中心气升两相连续环流反应器的流动特性
• 3.1 环流状态与鼓泡状态的比较
• 3.2 全床平均气含率
• 3.2.1 表观液速的影响
• 3.2.2 表观气速的影响
• 3.2.3 系统压力的影响
• 3.2.4 液相表面张力的影响
• 3.3 中心导流筒管的气含率
• 3.3.1 中心上升导流桶底部和顶部气含率变化
• 3.3.2 体系压力的影响
• 3.3.3 气体密度对气含率的影响
• 3.3.4 气体密度对环流气含率斜率的影响
• 3.4 下降环隙气含率
• 3.5 反应器局部气含率
• 3.6 气体、液体流量波动对环流的影响
• 3.6.1 气体流量波动试验研究
• 3.6.2 液体流量波动试验研究
• 3.7 大小气泡上升速率及气含率研究
• 3.7.1 大小气泡上升速率
• 3.7.2 大小气泡气含率
• 3.8 小结
• 第四章 两相环流反应器气泡特性及反应器流动模型
• 4.1 气泡浮升速度
• 4.2 中心气升环流反应器流动速度模型
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 环隙下部气含率与上升管气含率关系
• 4.2.3 液相环流速度模型推导
• 4.3 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 本文的创新点
• 5.3 论文的不足与展望
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 附录