反应浮选耦合过程中气液液三相传递现象的基础研究

Focusing on the resource of waste sulfuric acid in alkylation process, a new type of gas-liquid-liquid reaction-floatation system has been developed by our research team. The coupling process of flow fluid, heat transfer, mass transfer and reaction in gas-liquid-liquid reaction-floatation device will be researched theoretically and experimentally in this project. A gas-liquid-liquid model will be developed to optimized the operating conditions and the structures of the system. For this purpose, the gas-liquid-liquid flow filed will be examined firstly by PIV, LDV and other conventional test methods in cold flow model experiments. The cold flow numerical model will be optimized by experimental results. A hot flow model will be developed by adding new factors such as reaction, phase change, heat generation and transmission to the cold flow model. A pilot plant will be developed according to the optimized results by the hot flow model. The hot flow model will be optimized by the experiment results. At the end, a reliable hot flow model will be set up. It can be used for the optimization of gas-liquid-liquid reaction-floatation system. The industrialization will be realized at the end.

以烷基化废硫酸的资源化利用为背景，本课题组提出了一种将反应和多级浮选过程耦合在一起的化工新工艺及相应的反应浮选一体化设备。本项目拟通过理论和实验的方法对设备内气液液三相流动、传热、传质及反应的耦合传递现象进行基础研究，为高效反应浮选一体化设备的开发和设计建立理论基础。研究内容包括：首先建立能够描述气液液三相流动过程的数学模型，采用PIV、LDV等流体力学测试方法测量气液液三相流场特性以及流体力学参数，利用实验结果对模型进行修正，以建立能够预测流场特性的计算模型。其次以上述流体力学模型为基础，加入反应，相变，反应热及换热等元项，建立能够描述反应和浮选条件下气液液三相传递现象的数学模型，利用数学模型对中试设备的结构进行优化，在此基础上建立工业中试实验装置，完成中试实验；最后利用中试结果，得到工业放大依据，指导工业化设备的设计并实现烷基化废酸资源化利用。

本项目以环流反应器开发中的关键基础科学问题为研究对象，开展了如下研究：.一、实验方面.气泡大小是影响环流反应器性能的重要因素。因此本研究首先考察了不同尺寸气泡群的流体力学及传质特性。结果表明，小气泡群的液相传质系数略小于大气泡群，但其体积传质系数均明显高于大气泡群。在气泡群研究的基础上，本研究进一步考察了单气泡在自来水和超纯水中的流动及传质行为。.工业物系中不可避免地存在表面活性剂，而表面活性剂对于气液界面的传递现象具有重要影响。因此本研究考察了气泡在表面活性剂溶液中的运动及传质行为。研究发现，相比于超纯水，在表面活性剂溶液中，气泡的上升速度和传质速率明显降低。为解释这一现象，基于滞帽模型，通过引入表面活性剂在气泡表面的吸附模型，本研究建立了气泡在表面活性剂溶液中运动及传质的关联式，该关联式预测结果与实验值吻合良好。本研究还考察了醇类对于环流反应器流动及传质的影响。研究发现醇类的加入减小了气泡的平均尺寸，可有效提高反应器内气含率及传质系数。.环流反应器的结构及内构件对于其性能有重要影响。本研究考察了上升区与下降区面积比和新型内套筒结构（在内套筒上部加装不同孔径的筛网）对环流反应器的流体力学及传质的影响。结果表明，面积比接近1，且加装50目筛网的反应器流体力学及传质性能最佳。.二、模拟方面.本研究采用Eulerian-Eulerian双流体模型、RNG k-ε湍流模型和群体平衡模型，利用Fluent对环流反应器进行了三维模拟，并与实验结果进行对比，建立了可以描述环流反应器内气液两相传递现象的理论模型。利用该模型，本研究考察了收缩-扩张导流筒对于两级内环流反应器流体力学特性的影响，发现装有导流筒的反应器内各级都存在流体的局部循环，而流体在两级之间的整体循环消失，从而极大地减小了级间的返混。.三、工业放大方面.本项目在河北新启元能源技术股份有限公司搭建了一套烷基化中试反应装置并进行了中试运行。在中试基础上进行了一套1万吨/年的工业化装置的设计。.