RO117511B1

RO117511B1 - Gas.-lift reactor for studying circulation and mixing

Info

Publication number: RO117511B1
Application number: RO94-02000A
Authority: RO
Inventors: Z. Radu Tudose; Maria Gavrilescu
Original assignee: Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" Din Iaşi
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 2002-04-30

Abstract

The invention relates to a gas-lift reactor with continuous or discontinuous working, used for studying circulation and mixing in a gas-liquid system. According to the invention, the gas-lift reactor comprises two concentric columns (1 and 2) provided with a gas distributor (5) at the bottom of the central column (1). The liquid phase is supplied continuously by the upper part of an annular zone (3) wherethrough the liquid flows downwardly. The gas-liquid dispersion and the parallel flow of the phases is achieved in the central zone (4), so that a unique complete circulation, specific to the gas-lift system, is achieved in different interconnected zones. The phases are discharged at the upper part of the ascending zone, in the gas-liquid separation zone (15), through a system comprising four tubes (7) arranged radially and equally spaced, thereby preventing the contact between the liquid in the ascending and descending zones, in said conditions the parameters of the downstream end of the reactor being independent from the parameters of the upstream end.

Description

RO 117511 BRO 117511 B

- Invenția se referă la un reactor gaz-lift, cu funcționare continuă sau discontinuă, utilizat pentru studiul circulației și amestecării în sistem gaz-lichid.- The invention relates to a gas-lift reactor, with continuous or discontinuous operation, used for the study of circulation and mixing in a gas-liquid system.

Pentru caracterizarea circulației și amestecării în reactoarele continue, sunt introduse modelele cu deplasare totală și cu amestecare perfectă. Acestea sunt însă cazuri ideale, 5 limită, ale modului în care fluidele curg în interiorul reactoarelor.To characterize the circulation and mixing in continuous reactors, total displacement and perfect mixing models are introduced. However, these are ideal, limiting cases of how fluids flow inside reactors.

în reactorul gaz-lift real, cu funcționare continuă, circulația fazelor este cuprinsă între două limite, timpul de reținere a participanților la reacție fiind diferit, datorită unor factori care fac ca, în interiorul reactorului, să apară anumite forme de circulație care se abat de la curgerea ideală, cum sunt zonele stagnante și scurtcircuitele, iar modelele fizice sunt conexiuni 10 de zone cu circulație definită.In the real gas-lift reactor, with continuous operation, the phase circulation is between two limits, the retention time of the reaction participants being different, due to factors that cause certain forms of circulation to appear inside the reactor that deviate from the ideal flow, such as stagnant zones and short circuits, and the physical models are connections of 10 zones with defined circulation.

Sunt cunoscute reactoare de tipul gaz-lift, cu funcționare continuă și discontinuă, cu țț recirculare internă și externă, pentru realizarea unor procese chimice sau biochimice. Aceste reactoare au dezavantajul că nu permit efectuarea cercetărilor în toate condițiile posibile: fără recirculare, cu recirculare totală sau parțială a fazelor și funcționare discontinuă sau H 15 continuă.Gas-lift reactors are known, with continuous and discontinuous operation, with internal and external recirculation, for carrying out chemical or biochemical processes. These reactors have the disadvantage that they do not allow research to be carried out under all possible conditions: without recirculation, with total or partial recirculation of the phases and discontinuous or continuous operation.

p în brevetul RO 104957 se descrie un dispozitiv tubular de dispersie a gazelor în lid chide, care se bazează pe principiul ejectorului, putând fi injectat cu ajutorul lui, un gaz la presiune de 0,05...0,2 bari, până la adâncimi de 10 m.p Patent RO 104957 describes a tubular device for dispersing gases in closed containers, which is based on the ejector principle, and can be used to inject a gas at a pressure of 0.05...0.2 bar, up to depths of 10 m.

în WO 9401212/20.01.1994, se prezintă un sistem, metodă și aparat pentru difuzia 20 bulelor de gaz într-un volum de apă, care aplică unul sau mai mulți difuzori gaz-lift, pentru introducerea bulelor de gaz în apă, într-un canal de întoarcere a curentului de apă la un nivel convenabil sub baza volumului de apă.In WO 9401212/20.01.1994, a system, method and apparatus for diffusing gas bubbles into a volume of water is disclosed, which employs one or more gas-lift diffusers for introducing gas bubbles into the water, in a water return channel at a convenient level below the base of the water volume.

Invenția înlătură dezavantajele reactoarelor gaz-lift cunoscute, prin aceea că reactorul conform invenției este alcătuit din două coloane concentrice, fiind prevăzut cu un distribui25 tor de gaz la baza coloanei centrale, iar la partea superioară a reactorului racord este o zonă inelară, în care lichidul, alimentat printr-un racord, curge descendent prin niște deschideri circulare, practicate într-o flanșă de legătură. în centrul reactorului, se formează o zonă centrală de curgere ascendentă, în care se realizează dispersia gaz-lichid și curgerea în echicurent a fazelor, rezultând astfel o singură circulație completă, specifică sistemului gaz-lift 30 pe zone distincte, interconectate. Evacuarea fazelor se face pe la partea superioară a zonei centrale de curgere ascendentă, într-un separator gaz-lichid, printr-un sistem construit din patru tuburi dispuse radial și echidistant, care evită contactul dintre volumele de lichid din zonele descendentă și ascendentă, la partea superioară a reactorului. Parametrii caracteristici de ieșire din reactor sunt indenpendenți de parametrii caracteristici de intrare în reactor 35 și se măsoară cu ajutorul unor senzori poziționați respectiv la ieșirea din zonele descendentă, ascendentă și de separare.The invention eliminates the disadvantages of known gas-lift reactors, in that the reactor according to the invention is made up of two concentric columns, being provided with a gas distributor at the base of the central column, and at the upper part of the reactor the connection is an annular zone, in which the liquid, fed through a connection, flows downwards through some circular openings, made in a connecting flange. In the centre of the reactor, a central ascending flow zone is formed, in which the gas-liquid dispersion and the cocurrent flow of the phases are achieved, thus resulting in a single complete circulation, specific to the gas-lift system 30 on distinct, interconnected zones. The phases are evacuated at the upper part of the central ascending flow zone, in a gas-liquid separator, through a system built of four tubes arranged radially and equidistantly, which avoids contact between the volumes of liquid in the descending and ascending zones, at the upper part of the reactor. The characteristic parameters exiting the reactor are independent of the characteristic parameters entering the reactor 35 and are measured using sensors positioned respectively at the exit from the descending, ascending and separation zones.

Reactorul gaz-lift conform invenției este construit din două coloane concentrice, cu partea inferioară a coloanei centrale la o distanță prestabilită față de partea inferioară a coloanei exterioare, având raportul dintre aria secțiunii zonei inelare și aria secțiunii coloanei 40 director centrale la o valoare adaptată constructiv condițiilor de lucru, la partea inferioară a coloanei centrale este prevăzut un distribuitor de gaz. Acest reactor permite realizarea studiului propus, prin aceea că, la partea superioară, este realizată o construcție care face posibilă alimentarea, evacuarea și/sau recircularea fluidului, astfel încât să se facă o distincție netă între zonele de circulație din reactor. Alimentarea cu lichid liber de gaz se realizează 45 continuu, prin spațiul inelar, în zona de curgere descendentă, lichidul fiind distribuit în această zonă, printr-o serie de deschideri circulare practicate în flanșa de legătură. La partea superioară a zonei centrale de curgere bifazică, ascendentă în echicurent, se produce degazarea fazei lichide, după o circulație completă prin schimbarea de direcție la evacuarea fluidului printr-un sistem de patru tuburi, care evită contactul dintre lichidul evacuat și celThe gas-lift reactor according to the invention is constructed of two concentric columns, with the lower part of the central column at a predetermined distance from the lower part of the outer column, having the ratio between the area of the annular zone and the area of the central director column 40 at a value constructively adapted to the working conditions, a gas distributor is provided at the lower part of the central column. This reactor allows the proposed study to be carried out, in that, at the upper part, a construction is made which makes it possible to feed, discharge and/or recirculate the fluid, so as to make a clear distinction between the circulation zones in the reactor. The supply of gas-free liquid is carried out continuously, through the annular space, in the downward flow zone, the liquid being distributed in this zone, through a series of circular openings made in the connecting flange. At the top of the central two-phase flow zone, ascending in equicurrent, degassing of the liquid phase occurs, after a complete circulation by changing direction when the fluid is discharged through a four-tube system, which avoids contact between the discharged liquid and the

RO 117511 B j alimentat în zona descendentă și printr-o schimbare de secțiune într-o zonă de separare din 50 care lichidul este evacuat, prin două racorduri. în acest mod, se asigură realizarea unei singure circulații complete a fazelor, fără recirculare.RO 117511 B j fed into the descending zone and through a change of section in a separation zone from which the liquid is discharged, through two connections. In this way, a single complete circulation of the phases is ensured, without recirculation.

Recircularea fazelor se poate realiza, la diferite valori ale factorului de recirculare, prin intermediul unor deschideri circulare, practicate la partea superioară a coloanei director.Phase recirculation can be achieved, at different values of the recirculation factor, through circular openings, made at the top of the director column.

Informațiile referitoare la distribuția timpilor de staționare în reactor și a caracteristici- 55 lor de amestecare se pot obține experimental, prin tehnica impuls-răspuns, prin aplicarea unui semnal în afluentul aparatului și măsurarea răspunsului în funcție de timp la ieșirea din zonele descendentă, ascendentă și de separare, unde sunt plasați senzori pentru detectarea concentrației trasorului.Information regarding the distribution of residence times in the reactor and the mixing characteristics can be obtained experimentally, through the impulse-response technique, by applying a signal to the influent of the apparatus and measuring the response as a function of time at the exit from the descending, ascending and separation zones, where sensors are placed to detect the tracer concentration.

Reactorul gaz-lift, conform invenției, prezintă următoarele avantaje: 60The gas-lift reactor, according to the invention, has the following advantages: 60

- are o construcție simplă;- has a simple construction;

- permite o flexibilitate mare în funcționare, deoarece se poate analiza comportarea , hidrodinamică, la o singură circulație sau la recircularea fazelor la diferite valori ale factorului de recirculare și poate fi exploatat în regim staționar sau nestaționar;- it allows great flexibility in operation, since the hydrodynamic behavior can be analyzed in a single circulation or in the recirculation of phases at different values of the recirculation factor and can be operated in stationary or non-stationary mode;

- asigură condiții de recipient închis, deschis sau închis-deschis; 65- ensures closed, open or closed-open container conditions; 65

- se evită difuzia sau dispersia la intrare și ieșire, circulația în zonale distincte putând _tfi apreciată cu suficientă acurateță;- diffusion or dispersion at entry and exit is avoided, circulation in distinct areas cannot _be assessed with sufficient accuracy;

- substanțele din curent nu se deplasează în contracurent și nu ies pe la intrare în turbioane;- the substances in the current do not move countercurrently and do not exit through the entrance into the eddies;

- poate opera în sisteme heterogene bifazice, trifazice sau polifazice, cu diferite pro- 70 prietăți ale fazelor.- can operate in heterogeneous two-phase, three-phase or polyphase systems, with different phase properties.

Se dau, în continuare, cinci exemple de realizare a invenției în legătură cu fig. 1 ...3, care reprezintă:Five embodiments of the invention are given below in relation to Fig. 1...3, which represent:

- fig. 1, secțiune longitudinală în reactorul gaz-lift cu funcționare continuă sau discontinuă, pentru studiul caracteristicilor de circulație și amestecare, la o circulație completă a 75 fazelor, cu sau fără recircularea acestora;- Fig. 1, longitudinal section in the gas-lift reactor with continuous or discontinuous operation, for the study of circulation and mixing characteristics, at a complete circulation of 75 phases, with or without their recirculation;

- fig. 2, vedere în plan a reactorului gaz-lift;- Fig. 2, plan view of the gas-lift reactor;

- fig. 3, secțiune transversală prin zona orificiilor de recirculare a reactorului gaz-lift.- Fig. 3, cross-section through the area of the recirculation holes of the gas-lift reactor.

Exemplul 1. Reactorul gaz-lift, prezentat schematic în fig. 1 și 2, este construit din două coloane concentrice 1 și 2, cu raportul dintre aria secțiunii inelare, care constituie zona 80 de curgere descendentă 3 și aria secțiunii centrale, care constituie zona de curgere ascendentă 4, la o valoare adecvată scopului propus. La baza coloanei centrale 2, se barbotează gazul printr-un distribuitor 5, care are o construcție adecvată. Alimentarea cu fază lichidă se realizează pe la partea superioară a reactorului în zona inelară, prin racordul de alimentare < 6, lichidul curge în zona descendentă, prin deschiderile circulare 17 practicate în flanșa de 85 legătură 18, iar evacuarea din zona centrală în separatorul gaz-lichid 15 se face printr-un sistem constituit din patru tuburi 7 dispuse radial și echidistant, care evită contactul dintre lichidul din zonele descendentă și ascendentă, la partea superioară a reactorului, astfel că, în absența recirculării, se realizează condițiile de funcționare în sistem gaz-lift, iar timpul de staționare este în funcție de valoarea concentrației unui trasor la ieșirea din fiecare zonă. Eva- 90 cuarea fazei lichide din reactor se face prin racordurile 8 și 9, iar nivelul lichidului, respectiv volumul sistemului dispers se menține constant prin intermediul preaplinului 10.Example 1. The gas-lift reactor, shown schematically in Fig. 1 and 2, is constructed of two concentric columns 1 and 2, with the ratio between the area of the annular section, which constitutes the downflow zone 80 3 and the area of the central section, which constitutes the upflow zone 4, at a value appropriate to the intended purpose. At the base of the central column 2, gas is bubbled through a distributor 5, which has a suitable construction. The liquid phase is fed from the upper part of the reactor in the annular zone, through the feed connection < 6, the liquid flows into the descending zone, through the circular openings 17 made in the connecting flange 18, and the discharge from the central zone into the gas-liquid separator 15 is made through a system consisting of four tubes 7 arranged radially and equidistantly, which avoid contact between the liquid in the descending and ascending zones, at the upper part of the reactor, so that, in the absence of recirculation, the operating conditions in the gas-lift system are achieved, and the residence time is dependent on the concentration value of a tracer at the exit from each zone. The liquid phase is discharged from the reactor through the connections 8 and 9, and the liquid level, respectively the volume of the dispersed system, is maintained constant by means of the overflow 10.

în absența recirculării, parametrii caracteristici de intrare în reactor sunt independenți de parametrii de ieșire. Funcțiile de distribuție a timpului de staționare în reactor se obțin în absența reacției chimice, prin tehnica impuls-răspuns, prin aplicarea unui semnal după o fun- 95 cție Dirac și măsurarea răspunsului produs, în funcție de timp prin metode fizice, cu ajutorul unor senzori 11,12 și respectiv 13, la ieșirea din zona descendentă 11, la ieșirea din zona ascendentă 12 și la ieșirea din zona de separare 13.In the absence of recirculation, the characteristic parameters entering the reactor are independent of the exit parameters. The residence time distribution functions in the reactor are obtained in the absence of chemical reaction, by the impulse-response technique, by applying a signal after a Dirac function and measuring the response produced, as a function of time, by physical methods, with the help of sensors 11, 12 and 13, respectively, at the exit from the descending zone 11, at the exit from the ascending zone 12 and at the exit from the separation zone 13.

Claims

RO 117511 B

The tracer data obtained in each zone can be used either directly or in conjunction with the flow models to characterize the real continuous gas-lift reactor and determine its performance.

Example 2. The gas-lift reactor can also be used for continuous operation with partial recirculation, by making holes 14 in the wall of the central column 2, according to fig. 3, in order to ensure partial recirculation of the phases. These holes, in the case of operation without recirculation, are closed with the help of devices (circular ring or plugs). Recirculation can be done at different values of the recirculation ratio, by partially closing the recirculation holes.

The measurements are performed in the absence of chemical reaction, and the fluid circulates in a stationary mode.

* 110 With the advent of recirculation, the concentration at the reactor inlet becomes dependent on that at the outlet, due to the mixing of the two liquid flows, respectively, the feed

1 and recirculation. The system can be solved as in the case of the absence of recirculation, by processing the residence time distribution curves.

I Example 3. The gas-lift reactor can also be used for discontinuous operation, in a non-stationary regime, with total recirculation, achieved by interrupting the liquid supply through connection 6 and its evacuation through tubes 7.

Through the impulse-response technique, mixing is assessed at different values of the recirculation factor, by determining the longitudinal mixing and the mixing times necessary to obtain a defined degree of homogenization, as well as the circulation times.

120 Example 4. The procedure is the same as in examples 1, 2 and 3, in addition, in the distinct circulation zones of the reactor, the fraction of gas retained is determined using a capillary tube 16, which can be immersed at different heights of the dispersion, allowing the determination of local values of gas retention due to the differences between the liquid phase and the polydisperse system.

Example 5. The reactor according to examples 1, 2 and 3 can also be used to determine the velocity distribution in the ascending and descending zones by using tracers formed of small glass spheres, hollow inside, whose density is equal to that of the liquid. Under these conditions, the tracers move at a speed equal to that of the liquid and, by timing, allow the determination of the velocity of movement of the liquid in various positions located in the annular, descending or ascending circular section.

130 The reactor according to examples 1, 2 and 3 can also be used to determine the overall volumetric mass transfer coefficients, by measuring the concentrations of the reactants at the inlet and outlet of the two zones of the reactor.

( 1

135 Claims

1. Gas-lift reactor for the study of circulation and mixing, consisting of two concentric columns (1 and 2) and provided with a gas distributor (5) at the base of the central column (2), characterized in that, at the upper part of the reactor, there is an annular zone (3), 140 in which the liquid fed through a connection (6) flows downwards, through some circular openings (17), made in a connecting flange (18), in the centre of the reactor forming a central zone (4) of ascending flow, in which the gas-liquid dispersion and the cocurrent flow of the phases are carried out, thus resulting in a single complete circulation specific to the gas-lift system on distinct interconnected areas, the phases being discharged at the upper part 145 of the central zone (4) of ascending flow into a gas-liquid separator (15) through a system built of four tubes (7) arranged radially and equidistantly, which avoids contact between the volumes

RO 117511 B of liquid from the descending and ascending zones, at the upper part of the reactor, the characteristic parameters of the reactor outlet being independent of the characteristic parameters of the reactor inlet and being measured using sensors (11, 12 and 13) positioned at the outlets of the descending, ascending and separation zones respectively. 150

2. Reactor according to claim 1, characterized in that the central concentric column (2) is provided, at the upper part, with some holes (14) for recirculating the phases at different values of the recirculation factor under continuous or discontinuous operating conditions, with the help of a capillary tube (16) and some tracers, for determining some characteristic parameters. 155

President of the Inventions Committee: Eng. Georgescu Mi reia

Examiner: Ms. Coliu Elena