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目前电石的合成方法主要是电弧法[1]，该法借助电弧炉将电能转化为热能，加热熔融石灰和原料焦炭发生反应制取电石。虽然此法历史悠久，但是只能使用块状原料，然而块状原料的反应面小、反应速率慢，在反应炉内停留时间长、生产能力小，同时存在高能耗、高物耗和高污染的缺点[2]。鉴此，有必要研发更合适的电石反应器和生产工艺。刘振宇等[3]提出一种新型氧热法电石生产工艺，该法直接耦合吸热的电石生成反应和放热的炭燃烧反应，不仅提高热效率，且可提高反应中各相间的接触效率。针对该工艺，已提出气流床反应器技术[4]，也即在反应器内分区进行炭燃烧和电石合成反应，但存在两反应区间传热面积少以及电石反应区接触面积少等不足，未能充分利用氧热法的优点。因此，本文设计适用该工艺的一种淤浆鼓泡床反应器，其中，分散的气泡含配料炭颗粒，作用相当于分隔的燃烧室，CaO颗粒分散在连续的CaC2溶体内;气相中过量的炭颗粒经气液界面连续传递至液相与CaO颗粒接触并生成电石溶体。作为这种反应器开发的第一步，本文研究其多相流动特性，也即在冷态条件下，重点考察不同操作条件下器内相含率及大小气泡分布的变化规律，据此分析反应器的可行性，为新型电石反应器的研发提供借鉴和参考。

1实验部分

1.1冷模实验系统冷模实验系统如图1所示。系统主要包括淤浆鼓泡床反应器以及气含率、固含率和气泡大小测量系统。反应器主体为?150mm×1500mm有机玻璃筒。在距分布器不同高度处(0.3m，0.5m，0.7m，0.9m，1.1m和1.3m)，反应器的两侧分别装有6个取样阀和测压阀。实验在常温、常压下操作。反应器的表观气速在0.05～0.30m/s之间变化，所用物系为空气-自来水-氯化聚氯乙烯三相体系，其物理性质见表1。其中，水模拟液体碳化钙，氯化聚氯乙烯(CPVC)颗粒模拟氧化钙颗粒，两者间密度比与原体系相近。来自压缩机的压缩空气先经减压过滤到所需要的压力，然后通过空气转子流量计计量再通入器内鼓泡，最后由反应器上部逸出。实验前，固体颗粒经叶轮给料器被空气吹入到反应器内，然后向反应器中加入一定高度的水，待系统稳定后进行流动参数的测试。叶轮给料器下端接有风管，CPVC颗粒加入料斗仓后，从给料器下端出来被风吹进反应器中，进料的速度由变频器调节变频电机的快慢来控制，进料流量为3.0～12.0kg/h，进料时间均为10min。

1.2实验测试方法实验所测量的流动参数包括床层局部平均气含率、固含率轴向分布和大小气泡分布。局部平均气含率采用差压法测量(3351DP3E型差压变送器，北京金立石仪表科技有限公司)。压力信号经过传感器先转变为电流信号，再转变为电压信号，最后通过A/D采集卡转变为数字信号通过计算机采集和存储，采样频率为200Hz，采集时间为150s。根据动态气体溢出法[5]计算床层两点间气-液二相的局部平均气含率εg，也即式(2)中:Δpij为测孔间差压，Pa;ΔHij为测孔间距，m;ρg为气相密度，ρl为液相密度，ρsl为浆相密度，kg/m3。固含率εs(质量分数)采用取样法来测定[6]，即将取样浆液经过过滤、烘干，称重后算得。在同一实验条件下，重复试验3次，每次取60～65mL，取平均值。

2结果与讨论

2.1各因素对局部平均气含率的影响

2.1.1表观气速图2示出了表观气速对气-液体系床层局部平均气含率的影响。由图2可见，局部平均气含率随着表观气速的增加而增加。这表明表观气速的增加使得床中的小气泡数增多，随着鼓泡速度的增大，大气泡含率也进一步增加，从而导致整个床层的气体含量增加;这与王国峰等[7]的结论相似。在较低和较高截面处的气含率也近似相等，说明反应器内部的平均气含率分布比较均匀;这对于氧热法电石生产中床层温度的均一化是有利的。

2.1.2固体颗粒进料量图3示出了固体颗粒进料量对床层局部平均气含率的影响。由图3可知，固体颗粒的加入减少了床层局部平均气含率，尤其是当固体颗粒进料量增大的时候这种作用变得尤为明显。固体颗粒的加入主要增加了浆液的表观黏度，使气泡聚并的机会大为增加，同时气泡分散困难，导致小气泡减少，大气泡增多，从而床层局部平均气含率降低;这与Krish-na等[8]使用空气-水-石英砂的结果相似。大气泡增加有利于氧热法电石生产中炭的充分燃烧和提供反应热。

2.1.3静液高度图4给出了静液高度对气-液体系局部平均气含率的影响。由图4可见，对于不同静液高度的淤浆床，随着表观气速的增大床层局部平均气含率逐渐增大，但在不同的气速区增幅不相同。当Ug<0.14m/s时近似呈线性增长，说明在此速度以下淤浆床内的流动为均匀鼓泡区;在Ug为0.14～0.1m/s之间时，局部平均气含率均存在一个转折点，说明床内的流动变为湍动流。由图4还可看出，当H0=0.8m时该反应器的局部平均气含率最大，当H0=1.0m时的该反应器局部平均气含率最小，因此，存在一个适宜的静液高度使其局部平均气含率达到最大值。对于氧热法电石生产，通过控制静液高度增加床层气含率有利于提高相间的接触效率。2.2各因素对固含率的轴向分布的影响

2.2.1表观气速图5示出了表观气速对固含率轴向(X)分布的影响。由图5可见，在相同的固体进料量下，固含率随表观气速变化沿床层轴向分布表现为先增大后减小，总体来说趋于均匀，这与Smith等[9]研究的结果类似。但在轴向位置H0=0.7m时固含率达到最大，此现象鲜见文献报道。这主要是由于随着表观气速的增加导致颗粒的终端曳力系数变大，颗粒的

2.2.2固体颗粒进料量图6分别比较了不同固体进料量对固含率沿轴向分布的影响。由图6可见，在不同的固体进料量下，床层内固含率沿轴向分布都比较均匀，原因可能是浆液密度较低导致浆液更易达到非均匀剧烈湍动区，使固体受到自身的重力、来自液体的曳力和湍动分散、以及气泡尾涡的作用而处于力的平衡状态，从而使固含率沿轴向分布较均匀。反应器内固含率的均匀分布，提高了固固接触的效率，有利于反应效率的提高。

2.2.3不同轴向位置的固含率随表观气速的变化图7比较了在相同的进料量下，不同轴向位置的固体颗粒浓度随表观气速的变化关系。显而易见，同一轴向位置点的固含率随着表观气速的增加先降后升，在表观气速Ug=0.16m/s时候，固体浓度最低，在此气体速度下，固体颗粒在其内部分布均匀，然后在高气速下，固体浓度又逐渐增大。这表明在低气速时，颗粒沉降速度加快，这与Zhang等[10]在大型鼓泡床中研究的结果类似。在本反应器内，不同轴向位置固含率随表观气速的变化趋势基本一致，与表观气速对固含率沿轴向变化的趋势相近，说明反应器内具有良好分散性和流动性。的气含率为小气泡的气含率，总的气含率减去小气泡的气含率即为大气泡的气含率。

2.3.2表观气速2.3各因素对大、小两类气泡分布的影响

2.3.1大小气泡分布测试原理气泡大小在全床层的分布采用DGD法测量[11]，也即通过床层关断塌落中气含率随时间的变化解读床层中大、小两类气泡尺寸的分布情况。图8为典型的DGD方法塌落曲线，其中竖线对应阀门突然关断时刻，ab段为大气泡溢出的过程，到b点全部溢出，bc段为小气泡均匀通过的过程，其对应由图9可见，随着表观气速的增加小气泡含量不断增加，而大气泡含量则不断减小，并且在表观气速Ug=0.08m/s时小气泡含量低于大气泡含量，当Ug>0.08m/s时小气泡含量大于大气泡含量。这可能是因为在较低气速时床层处于均匀鼓泡流状态，床层中大气泡不易破裂成小气泡;随着气速的增大，气泡间相互聚并和破碎的频率增加，气泡不断合并和破裂，其大小和速度都在不断的增加，大气泡集中在中心区域以较快的速度上升，床层壁附近以小气泡为主，上升速度较慢，导致小气泡含量较高;林松等[12]及Fransolet等[13]曾报道类似结果。如前述，大气泡增加有利于氧热法电石生产中炭的充分燃烧和提供反应热。

2.3.3静液高度静液高度对大小气泡分布的影响见图10。由图10可见，在Ug=0.086m/s和Ug=0.157m/s时小气泡含量均小于大气泡含量。随着静液高度的增加，大气泡含量是先增大后减小，而小气泡含量在低气速时随静液高度增加而增大、在高气速时先增大后减小。这说明当静液高度增加时，床层底部处于分布器域，大气泡含率相对较大，床层主体处于相对稳定的状态，气泡聚并和破碎达动态平衡，床层上部处于泡沫区域，气含率相对较高，大气泡的破碎较为剧烈。静液高度在此反应器高度3/5左右处大气泡的含量达到最大。

3结论

(1)床层局部平均气含率随气速的增加而增加;固体颗粒的加入减少了局部平均气含率;不同静液高度将会导致不同的床层局部平均气含率，在本实验中当静液高度H0=0.8m时床层局部平均气含率最高。(2)当Ug在0.136～0.196m/s之间时，固含率在反应器轴向分布随表观气速增大趋于均匀;固体进料量越小则固含率沿轴向分布越均匀，反之，越不均匀;表观气速对轴向位置较高点的固体浓度变化影响比较低点更加明显。(3)随着表观气速的增加，小气泡含量逐渐增加，大气泡含量逐渐减小;随着静液高度的增加，大气泡含量均是先增大后减小，而小气泡含量在低气速时随静液高度增加，在高气速时先增大后减小。

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