（化学工程与技术专业论文）多级鼓泡塔流体力学参数的测量与混合特性的研究.pdf

摘要 鼓泡塔( b u b b l ec o l u m nr e a c t o r ) 以其结构简单、无机械传动部 件、易密封、传热效率高、操作稳定、操作费用低等优点，被广泛应 用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化、费一托合成、废气和废水处理、 煤的液化及菌种培养等工业过程。液相返混是鼓泡塔反应器最显著的 特征之一，其会降低大多数反应过程中反应物的转化率和产物的选择 性。基于多釜串联可以有效减小返混的原理，将分布板引入传统的鼓 泡塔，形成多级鼓泡塔来降低返混。因此，对多级鼓泡塔内流体力学 参数进行深入研究，可以为优化现有反应器的操作和开发设计更高效 的反应器提供理论指导，对解决日益严峻的能源和环境问题具有十分 重要的意义。 本文在直径0 3 m 、高2 5 m 的带筛板的多级鼓泡塔中，采用不同种 类的筛板与操作条件，利用多种不同的测量技术考察了气含率、s a u t e r 直径、气垫层高度、液体速度、轴向返混系数、液体交换速度等流体 力学参数，探讨气泡行为与气液流动特性。 实验结果表明，带筛板的鼓泡塔中平均气含率、局部气含率、液 体速度等流体力学参数和普通的鼓泡塔有相似的规律，双层鼓泡塔和 普通鼓泡塔内局部气含率和液体速度均随径向位置r r 的增加而减小， 而表观气速的增加会导致气含率、气垫层高度、液体循环速度、轴向 返混系数和液体交换量的明显增大。筛板介入后，会对由下向上运动 的气泡和随气泡运动的液体起到阻碍作用，筛板下侧形成气垫层，使 筛板上下气液流动脱节，将一个全混流的反应器分割成两个串联的全 混流反应器从而减小返混。因此，筛板下侧的气含率比上侧的气含率 高。低开孔率的筛板因阻碍气液运动的效果更加明显，使气垫层高度 增加，液体交换速度减小。相同开孔率的筛板中，不同的孔分布方式 会对流体力学参数产生比较有限的影响，改变孔的分布方式只会略微 影响整塔气液流动和混合效果。在本实验中各种实验条件对于s a u t e r 直径的影响都不是很大，s a u t e r 直径基本在l o m m 左右。 关键词：多级鼓泡塔，筛板，流体力学参数，气含率，气垫层高度， s a u t e r 直径，液体速度 北京化t 大学硕j ：学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 t h em e a s u r e m e n to fh y d r o d y n a m i c p a r a m e t e r sa n d t h em i x e dc h a r a c t e r i s t i c s i nm u l t i s t a c eb u b b l ec o l u m n s a b s t r a c t b u b b l ec o l u m n sa r ew i d e l yu s e da sg a s - l i q u i dr e a c t o r si nm a n yf i e l d s d u et ot h e i rs i m p lec o n s t r u c t i o n ，n om e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t s ， o p e r a t i o ns t a b i l i t y ，l o wo p e r a t i n gc o s t ，h i g he n e r g ye f f i c i e n c ya n dg o o d m a s sa n dh e a tt r a n s f e rr a t e s ，s u c ha s h y d r o g e n a t i o n ，d e s u l f u r i z a t i o n ， f i s c h e r - t r o p s c hs y n t h e s i s ，f e r m e n t a t i o n s ，b i o r e a c t i o n s ，c o a ll i q u e f a c t i o n a n dw a s t ew a t e ra n dg a st r e a t m e n te t c ad i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo ft h e b u b b l ec o l u m n s l u r r yr e a c t o ri st h ei n t e n s eb a c k m i x i n go f t h el i q u i dp h a s e ， w h i c hr e s u l t si nr e d u c i n gt h el o wy i e l d so ft h er e a c t i o na n ds e l e c t i v i t yo f p r o d u c t si nm o s ti n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc s t r s i ns e r i e s ，i n t r o d u c t i o no fp a r t i t i o np l a t e si nt h eb u b b l ec o l u m nd e c r e a s e st h e b a c k - m i x i n go fl i q u i d t h es t u d y o n h y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r s i n m u l t i s t a g eb u b b l ec o l u m nr e a c t o r sc a np r o v i d eat h e o r e t i c a ld i r e c t i o nf o r t h ef u r t h e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h em u l t i s t a g eb u b b l ec o l u m n sw h i c h i sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ei n t e n s ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i nt h i s p a p e r , ab u b b l e c o l u m nw a su s e di nt h ec o l dm o d e l e x p e r i m e n t a ls t u d y t h em e a s u r e m e n to fh y d r o d y n a m i c sp a r a m e t e r sa n d t h em i x e dc h a r a c t e r sw e r es t u d i e dw i t h2 5m h i g ha n da ni n n e rd i a m e t e ro f o 3 0 mb u b b l ec o l u m nw i t hp l a t e su s i n gv a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a lg a sh o l d u pa n dt h el i q u i d v e l o c i t yd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h er a d i a lp o s i t i o nr r ，w h i c ha r e s i m i l a rt ot h eo n ei nc o m m o nb u b b l ec o l u m n s g a sh o l d u p ，g a sc a ph e i g h t ， l i q u i dv e l o c i t y ，a x i a ld i s p e r s i o nc o e f f i c i e n ta n dl i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t y i n c r e a s ew i t ht h es u p e r f i c i a l g a sv e l o c i t yi n c r e a s i n g t h es i e v ep l a t e s i n t r o d u c e di nb u b b l ec o l u m nc a nr e t a r dt h eg a sa n dl i q u i dm o v i n gf r o m l o w e ra r e at ou p p e ra r e a ag a sl a y e ra p p e a r su n d e rt h es i e v ep l a t ew h i c h d e p a r t st h eb u b b l ec o l u m ni n t ot w op a r t sa n df o r m st w oc s t r s t od e c r e a s e t h eb a c k - m i x i n g ，w h i c hr e s u l ti nt h eg a sh o l d u pu n d e rt h ep l a t ei sh i g h e r t h a nt h eo n ea b o v e t h el o wo p e n i n ga r e ao ft h ep l a t eh a sas t r o n g e rb l o c k 摘要 a f f e c tah i g h e rg a sc a ph e i g h ta n dal o w e rl i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t y d i s t r i b u t i o no ft h eh o l e si np l a t e sh a sas l i g h t l ya f f e c tt ot h eh y d r o d y n a m i c p a r a m e t e r s t h es a u t e rd i a m e t e rc a nh a r d l yc h a n g e di nr a n g eo ft h e r e s e a r c ha n dt h es a u t e rd i a m e t e r sa r ea r o u n d1o m m k e y w o r d s ： m u l t i - s t a g eb u b b l ec o l u m n s ，s i e v ep l a t e s ，h y d r o d y n a m i c p a r a m e t e r s ，g a sh o l d u p ，g a gc a ph e i g h t ，s a u t e rd i a m e t e r 北京化t 大学硕十学位论文 符号说明 气泡s a u t e r 直径，m l t l 塔径，m 重力加速度，m s 1 床层轴向高度，m 静液高度，m 压力，m p a 温度， 时间，s 平均表观气速，r n s 。1 塔板半径，m 测量点距离塔横截面圆心距离，m 鼓泡塔圆截面面积，m z c d 两点之间高度，m d e 两点之间高度，m 气垫层高度，m 气泡直径，m m 直径为d 。的气泡个数 统计的气泡总数 气泡s a u t c r 直径，m m 液相径向返混系数 液相轴向返混系数 筛板孔间液体交换速度，m s 表观液速，m s 表观气速，m s d e 两点之间段的平均气含率 局部气含率 局部液含率 平均气含率 d g h p t t r r s队m阢眈岵u u & q 一如 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盔丝 日期：塑六二 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：盍监 tl 导师签名：二缝4 虬 日期：圣业14 兰 文献综述 第一章文献综述 1 1 课题背景以及研究意义 鼓泡塔作为气液固三相反应器或者气液两相反应器广泛被应用于石油化工、生物 化工、废水处理等领域【l 。3 】。作为两相反应器，气液鼓泡塔具有相际接触面大、液体持 有量大、传质和传热效率高、结构简单、操作稳定等特点。气液鼓泡塔不仅适用于慢 反应，而且适用于强放热反应，并具有在高温高压下处理腐蚀性和有毒性气体的能力， 是工业应用中非常常见的反应装置。 液相返混是鼓泡塔反应器最显著的特征之一。在大多数的工业应用中，液相返混 会带来反应转化率和产物选择性降低的影响【“7 1 。因此，基于多釜串联可以有效减小返 混的原理，将分布板引入传统的鼓泡塔，形成多级鼓泡塔来降低返混。目前，文献中 大部分工作主要集中于单级鼓泡塔反应器的研究工作，对多级鼓泡塔的研究较少，因 此，有必要多级鼓泡塔的相关流体力学参数与混合特性进行详细研究。 多级鼓泡塔( m u l t i s t a g eb u b b l ec o l u m n s ) 内流体力学参数主要包括：相含率分 布、气泡尺寸分布、气泡上升速度及其脉动、液体运动速度及其脉动等，多级鼓泡塔 流体力学参数可定量描述鼓泡塔内局部流动状况，它们直接影响多级鼓泡塔内进行的 传质、传热及化学反应速率。多级鼓泡塔流体力学参数的确定有助于强化气液反应过 程、优化鼓泡塔操作。气液鼓泡塔流体力学研究及其模型化对于气液鼓泡塔的设计、 放大和优化操作极为重要。鉴于目前相对于普通的鼓泡塔而言，对于多级鼓泡塔的流 体力学参数的研究还很少，因此对于多级鼓泡塔内流体力学参数的测量是有一定意义 的。 本文采用压差法、p a v l o v 法、电导探针法、示踪剂法对于带不同种类筛板的鼓泡 塔中多种流体力学参数进行了详细的测量，并且对于结果进行了分析。主要考察了多 层鼓泡塔中表观气速大小、筛板开孔率、筛板中孔分布方式等因素对于鼓泡塔内流体 力学参数的影响，给出该多层鼓泡塔的流体力学基础数据并对此讨论，对于多级鼓泡 塔的应用有着一定的指导意义。 1 2 鼓泡塔反应器的流动与传递规律 1 2 1 鼓泡塔反应器 北京化t 大学硕士学位论文 鼓泡塔反应器( b u b b l ec o l u m nr e a c t o r , b c r ) 是多相反应装置的一种，在鼓泡塔中， 气体以鼓泡的形式分散地通过连续的液相。工业鼓泡塔反应器形式多样，按其结构特 征可分为：简单鼓泡塔、多段鼓泡塔和填料鼓泡塔；按其操作方式可分为：气液并流 连续操作、气液逆流连续操作、液体间歇操作等形式。与其它多相反应器( 搅拌釜、填 料塔、滴流床) 相比，鼓泡塔有如下优点：结构简单、维护简便，无动密封问题； 高液含率；传热性能好，便于控温；较低能量输入下即能达到较理想的相间传质 能力；处理固体时，无严重的腐蚀、堵塞问题；造价相对低廉。其缺点是：液相 返混严重、气泡易聚并等【8 】。气液鼓泡塔是石油化工、无机化工和生物化工的重要反 应装置，其在化学工业中的应用如表1 - 1 所示。 表1 - 1 鼓泡塔反应器在化学工业中应用的一些实例 t a bie1 1b u b b l ec o l u m n si nc h e m i c a li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 2 文献综述 1 2 2 多级鼓泡塔形式以及应用 简单鼓泡塔是一种液相全混的反应器，其返混的特点对于其发应用和发展是极其 不利的。因为多个全混流反应器串联可以看作为平推流反应器，整体来看返混降低。 因此可以利用筛板或者内构件等将鼓泡塔分成若干部分，形成多级鼓泡塔来降低返 混。目前对于多级鼓泡塔的研究和应用还不是很成熟，但也已经有很多领域在利用多 级鼓泡塔方面取得了一定的成绩。m a r e t t o 和k r i s h n a 认为利用分布板或者其他方法将 鼓泡塔分成若干部分形成多级鼓泡塔，在费托合成反应上取得了较好的效果【2 引。 m e i k a p 等人研究了在脱硫过程中多级鼓泡塔的分散模型，得出在无任何预处理以及添 加剂的情况下采用多级气液鼓泡塔处理二氧化硫与空气的混合气体，理论上的脱硫效 率可以达到1 0 0 ，明显优于普通的鼓泡塔【2 6 1 。s a h u 等人在多级鼓泡塔反应器中研究 了采用米糠处理废水的可行性，研究结果表明使用三相多级鼓泡塔来处理废水是很有 发展前途蝌别j 。 1 2 3 鼓泡塔流型 鼓泡塔内气体和液体混合在一起共同流动称为气液两相流。对于两相流流体力学 进行分析，首先要分清两相流的流型，然后根据流型的特点分析其流动特性，并且建 立相应的模型和关联式。 鼓泡塔的流体力学特性强烈地依赖于塔内的流型，鼓泡塔内流动特性根据表观流 速的不同而呈现不同的流动特性，w a l l i s 依据气泡运动状况，把鼓泡塔流型划分为以 下四种，如图1 1 【2 引。 ( 1 ) 安静鼓泡流，又称均匀鼓泡流。指气体以均匀鼓泡的形式均匀有序地通过 塔截面，液相只呈轻微湍动。此时，气泡较小且无论在径向还是轴向上几乎均匀分布， 气泡间的相互作用很小。该流域只在表观气速很小时存在( 如对粘度较小的流体，表观 气速约小于0 0 5 m s ) 。 ( 2 ) 过渡流，处于均匀鼓泡到湍动流之间的过渡状态。过渡区域受分布器形式、 液相的物理化学性质等因素的影响。 ( 3 ) 湍动鼓泡流，又称湍动流。当表观气速较大时，气体以非均一直径的气泡 形态与液体接触，气泡间相互作用加强，相互聚并、分裂，导致塔内流体产生剧烈的 湍动。此时，塔中心部分气含率高、气泡直径大，壁面附近气含率底，气泡直径较小， 形成中心部分气液向上流、塔壁附近向下流的局部循环状态 3 北京化工大学硕士学位论文 ( 4 ) 柱塞流，当气泡以很快的速度上升时，气泡间严重聚并，形成的大气泡直 径几乎等于反应器的直径，以柱塞形式往上流动，这通常发生在塔径小、气速高、液 体粘度大的情况下。 上述流域的分布如图1 2 所示。该图适合于液体间歇式的气液鼓泡塔或淤浆鼓泡 塔，且液相为水或低粘度液体，对其它体系可作为参考。在不同的流型下，鼓泡塔中 的水力学特性，传质和传热特性以及混合特性都大不相同。而工业上气液两相( 气液固 三相) 反应操作过程中( 如费托合成过程) 真正感兴趣的是处于湍动状态的流型。因此在 进行分析之前要先判定流体的流型。研究流型转变和区分的方法主要分为两类：一类是 根据表观气速变化气含率【2 9 】或者漂移通量【3 0 】发生的剧烈变化来判定；另一类就是对动 力学信号进行逐个的分析处理，如统计分析3 2 1 、分形分析3 3 1 和混沌分析【3 4 1 。 ； “ l 麟弋罗 均栩滋 ( 1 )( 2 ) 黼漉节流 嚣均栩滤 图! - 1 鼓泡流型图 fig 1 1f l o wp a t t e r n si nb u b b l ec o l u m n s 4 文献综述 气硌 ； 毛魏l o u 罐 r 霎嘲 磊锱蝴o 1 0 0 蝴1 0 0 0 , 篪艘疆赢簸穰鼬 图1 - 2 鼓泡塔流型与塔径、气速的关系 fig 1 2n e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wp a t t e r na n dc o l u m nd i a m e t e r , s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 1 3 鼓泡塔流体力学参数的测量技术介绍 对鼓泡塔流体检测的技术有很多种，按实验测量方式分，可把测量方法分为整体 平均参数的测量和局部参数的测量。早期的研究以测量整体平均参数为主，随着测量 技术的发展以及对多相流体系研究的不断深入，研究者开始更加关注局部流体力学行 为。本节总结的测量方法主要针对流体力学参数的测定，如相含率、液速和气泡行为 也蟹 奇0 1 3 1 整体平均参数的测量 整体平均参数的测量方法主要有测压法、衰减法和床层塌落法，现详细介绍如下： 1 3 1 1 测压法 测压法是一种传统的测量方法，可以通过测量压降来测得平均气含率2 0 2 。测压 方法可以采用u 形管测压计和压力探头。压力探头具有精度高、响应速度快等优点， 5 北京化：i = 大学硕十学位论文 有些压力探头还可以测得动态压力信号，对动态压力信号进行分析，可以深入研究体 系的动态行为以及进行流型判断【2 2 1 。 1 3 1 2 衰减法 衰减法利用超声、x 射线、y 射线以及中子束经过多相混合物时的衰减特性对 多相流进行测量。由于多相混合物中各相的吸收特性不同，因此超声或射线经过混合 物后的衰减幅度和相含率有关。衰减法是层析成像的基础，一般不受体系透光性的限 制，但只能测得沿路径平均的相含率，另外x 射线、y 射线和中子束装置比较昂贵， 对使用操作的安全性要求很高。 1 3 1 3 床层塌落法( d g d ：d y n a m i cg a sd i s e n g a g e m e n t ) d g d 技术最早由s r i r a m 和m a n n 2 3 】提出，后来很多研究者将此方法用于气液体 系气泡行为的研究【2 4 啪】。在d g d 方法中，在流动达到稳态后快速切断气源，同时跟 踪液面或床层压力的变化。在切断气源后，气含率随时间的变化，气含率下降的速率 和气泡的溢出速度有关：在起始阶段，大气泡以很大的上升速度溢出( 这时部分小气 泡也溢出) ，因此气含率下降很快；当大气泡全部逸出后，由于床内剩余的小气泡溢 出速度较小，气含率下降的速率也慢。对气含率随时间的变化曲线进行处理，可以求 得大气泡和小气泡所占的比率以及各自的速度阿。 1 3 2 局部参数的测量 1 3 2 1 探头技术 探头技术是对气液体系中气泡行为进行测量的常用方法【2 8 1 。已经开发的探头技术 包括电导探头【2 9 1 、电阻探头【3 0 1 和光纤探头【3 1 彤1 等。在各种探头技术中，光纤探头技术 不受被测体系导电性的限制，结构紧凑，信号容易识别，响应速度快，对流场干扰小， 近年来得到越来越多的应用。信号处理是探头技术中的关键问题。 双头电导探针是探头技术中应用最为广泛的一种，s a b e r i 【3 2 】提出了由气泡弦长分 布计算被探针刺破的气泡的大小分布，但是这一气泡大小分布并不代表体系内的气泡 大小分布，不能直接用来计算气液相界面积。l i u 3 4 】对上述算法进行改进，建立了由 气泡弦长分布计算过截面气泡大小分布的算法，如果忽略不同大小气泡上升速度的差 6 文献综述 异，则此气泡大小分布和体系内的气泡大小分布相等，w a n g 【3 5 】对此进行了详细的讨 论。探头法的数据处理一般基于气泡为球形或椭球形的假设，因此不适用于球帽形等 形状不规则的大气泡的测量。 1 3 2 2 热膜测速仪( h o tf ii m ) 热膜测速仪利用测量热探头和周围流体的传热测量流体流动，最初应用于单相 流，后来在气液体系中得到越来越多的应用。气液体系中，气泡通过探头时导热明显 下降，因而在输出信号中出现明显的信号峰。通过对输出信号进行分析和处理，可以 得到局部气含率【3 6 】、局部液速【3 7 ，3 8 1 和湍动量【5 4 ，5 5 1 。热膜测速仪测量准确性较高，价 格适中，但机械强度很差，在被测体系流速较大或气含率较高时容易损坏。热膜测速 仪在应用中要保证被测体系恒温，当用于多相流测量时需要标定。 1 3 2 3 层析成像技术c o t ：c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 本原理是电磁辐射或电场的强度因穿过多相混合物而降低，单位距离上被吸收的 能量与分散相的浓度有关。层析成像技术可分为两类：一类是基于电场特性的变化， 如电容和电阻层析成像；另一类是基于电磁辐射强度的变化，如x 射线、y 射线和中 子射线层析成像。电容层析成像技术时间分辨率较高，但空间分辨率较低，为厘米级， 且仪器的校准和结果的再现算法比较复杂。x 射线或y 射线层析成像系统相对于电 容层析成像价格昂贵，且测量所需时间较长，但是空间分辨率较高，一般为几个毫米 或更低【5 6 】，为提高时间分辨率，可采用多组发射和接收设备的不旋转结构【57 1 。层析 成像技术最大的优点是可以实现非接触式测量，且可以同时测得整个截面的流场信 息。 1 3 2 4 计算机自动化放射性粒子示踪技术c a r p t ( c o m p u t e r - a u t 硼a t e d r a d i o a c t i v ep a r t i c l at r a c k i n g ) 这是近年来由华盛顿大学d u d u k o v i c 5 8 , 5 9 , 6 0 】等人开发的。在c a r p t 中，单个放射 性粒子的运动轨迹由检测器连续监测，可检测的最高粒子运动频率为2 0 3 0 h z 。通过 c a r p t 绘制的粒子运动轨线，即可分析得到瞬时速度，时均流动形态，湍动应力和 湍流动能。同时，采用计算机x 射线断层造影技术c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) ，可获 得设定高度上的时均气含率分布。这样，c a r p t 与c t 联合使用，就可以提供非透明 体系的全流场。该项技术也可用于淤浆鼓泡塔或流化床中。 7 北京化_ t 大学硕士学位论文 1 3 2 5 激光多普勒测速仪( l d v ：l a s e rd o p p i o rv e i o c i m t r y ) l d v 是通过激光多普勒效应来测量流体或固体流速的一种仪器，最早应用于单相 流体的测量，后来逐渐在气液两相流中得到应用。此方法的滞后效应小，测量范围大， 对流场不造成干扰，而且空间分辨率高、动态响应快。k u l k a m i 对l d v 应用于多气 泡体系时的测量信号进行了深入的研究，实现了气泡速度、液速和气含率的同时测量 【6 1 1 。k u l k a r n i 还根据气泡的上升速度分布和气泡上升速度的关联式求得了气泡的大小 分布，由气泡大小分布和气含率进而求得气液相界面积1 6 2 j 。但l d v 只能逐点测量， 即使采用微机自动控制，其测量过程也将是繁复的【吲。随着数字、图形处理技术及计 算机技术的发展，国内外开始采用摄像与图象处理技术相结合的方法，同时解析出一 个剖面上的流场信息，此即下面要说的p i v 技术【6 4 , 6 s ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i t y ) 。 1 3 2 6 粒子成像测速仪( pl y ：p a r t i c i ei m a g ev e l 0 0 i t y ) p 能同时测得某一截面的瞬态流场，近几年来在气液体系中开始得到应用【6 6 , 6 7 。 其原理是鼓泡塔由一狭缝激光束照射，用两个脉冲激发光源，得到粒子场的两次曝光 图像，接着从曝光时间内粒子的位移计算出速度场，同时由曝光图像还可获得气含率 分布。目前p i v 用于气液体系的技术还很不成熟，主要是气泡的影响使信号不易识别， 一般只能应用于气含率很低的条件下，当气含率与固含量较高时，这类方法难以有效 地使用。除以上介绍的商业化测量仪器外，一些研究者自行开发了新的测量手段，如 p r a s s e re ta 1 ( 2 0 m ) 开发了一种金属丝网传感器，可以对气泡大小分布进行测量娜j 。 1 3 2 7 照相法 照相法可以简单方便地得到气泡的直观图像，因此被很多研究者使用 6 9 , 7 0 】。但 照相法只适用于透明器壁，且只能测得边壁区域的气泡行为。这种方法可以测得气泡 的运动速度以及气泡的大小。 1 3 2 8p a vio v 法 p a v l o v 管测速是应用比较广泛的测量鼓泡塔内部液体速度的方法【1 7 1 】。p a v l o v 管即 改进的皮托管，主要是将流体流动的动能转变为压力势能，从而测定流动速度，具有 体积小，价格低廉、操作方便、不涉及放射性元素和实验安全性高等优点。在测量时， 将p a v l o v 管安装在左右对称，同一直径上的测量小孔内，并分别通过管路与差压变送 器和自来水吹扫装置相连。所得到的压力脉动信号通过专门的数据处理得到液体速度 信号，改变不同的测量点就获得速度在塔内的径向分布规律1 7 引。 8 文献综述 以上所有测量方法又可以按内置法和外置法进行分类。在内置法中，测量元件需 要与流场相接触，如探头、热膜风速仪，皮托管测速等等。而外置法测量元件不与流 场相接触，如压力计、衰减法中的射线测量法、照相法、层析成像、激光多普勒测速 仪、粒子成像测速仪等。 1 4 鼓泡塔反应器的流体力学参数 鼓泡塔反应器内流体力学参数直接反映了鼓泡塔内的气液混合状态，气液运动状 态。因此是在研究鼓泡塔反应器时，必不可少的研究对象。本节对于鼓泡塔反应器内 常见的流体力学参数进行了简单的解释，并且对于其他科研人员测量或模拟计算的流 体力学参数的结果进行了简单的总结。 1 4 1 气含率 气含率是表征鼓泡塔流体力学性能的重要参数，通常是指塔内气泡相所占的体积 分率，有时也用液含率或固含率表示液相或固相所占的体积分率。它直接影响鼓泡塔 的尺寸和气液接触面积，进而影响塔内传质和宏观反应速率，是鼓泡塔工程设计必不 可少的重要参数之一。 鼓泡床中，气含率反映了占主导的气泡尺寸与上升速度，任意反映气泡尺寸与上 升速度的体系特性均能影响气含率。影响因素包括：表观气速、表观液速、系统压强、 固体颗粒、液相物性、分布器构型等。通常，平均气含率随着表观气速的增大而增加， 但在不同的流型下增加幅度并不相同。在均匀鼓泡区气含率和表观气速呈线性关系， 而在湍流区一般和表观气速的0 4 0 7 次方成正比例。而w u 7 3 】实验结果表明表观液速 对气含率的影响较小。g a n d h i 7 4 】指出，鼓泡床中气含率在轴向上的分布分为三个区域， 分布器域、主体区域和泡沫区域( 自由空间区) ，在分布器区气含率较低，主体区域相 对稳定，泡沫区域较高。轴向气含率的分布如图1 3 所示。 压强对气含率的影响主要是促进大气泡的破裂，气泡平均直径减小，上升速度减 小，使得气含率随压强升高而增加【7 5 1 ，如图1 - 4 所示。实验证明，气体密度对气含率 的影响和压强对气含率的影响有相同的作用效果【7 州。 9 q 3 里 。 工 仍 ( 9 北京化工大学硕上学位论文 a x i a ll o c a t i o no rc o l u m n 【m 】 图卜3 鼓泡床中气含率的轴向分布7 4 】 f i g 1 - 3a x i a lg a sh o l d u pp r o f i l e sf o rv a r y i n gs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e si nb u b b l ec o l 眦m 【7 4 】 u g ( n v s ) 图l - 4 压强对气含率的影响【7 5 】 f i g 1 - 4e f f e c to f p r e s s u r eo ng a sh o l d u pf o rv a r y i n gs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e s 7 5 】 k r i s h n a 7 7 】实验表明，气含率随固相浓度的增加而降低，这主要是由于，颗粒浓度 的增加增大了液相的表观粘度，促进了气泡聚并，小气泡数目减少，而且这种现象主 要发生在分布器区域。当浆液浓度提高到2 5 v 0 1 时，气含率随着浓度的增加而略微 1 0 文献综述 减小，但k h a r e i 7 8 】的研究表明在固体浓度0 6 v 0 1 时气含率达到最大。 当固体颗粒直径很小时，气含率随颗粒直径的增加而增加，当大于临界直径时， 气含率随直径的增加而减小。 气液表面张力是液相性质中对气含率影响很大的因素之一，表面张力的降低，气 泡容易生成新的表面，气泡趋于破裂，气含率增加，但纯液体与通过加入表面活性剂 改变表面张力对气泡的影响并不相同。 液相粘度的增加导致气泡聚并趋势加强，气泡直径增加，同时也增加了气泡上升 的曳力系数，从而平均气含率先降低后增加【7 8 】。 分布器的设计对气含率有很大影响，分布孔的大小和数目对气泡的分布有很大影 响，初始气泡直径越小，气含率越高，当在压强大于5 m p a 时和高气速下，气体分布 器对气含率的影响可以忽略。 由于壁效应的影响，塔径较小时分布器对气含率影响较大，当塔径大于o 1 5 m 时 对气含率基本没有影响；塔内静液高度大于l m 一3 m 并且高径比大于5 时，静液高度对 气含率的影响可忽略【7 9 1 。 s h a i k h l s o l 通过y 射线c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 测得了不同表观气速下的气含率 径向分布，如图1 5 。结果显示，在均匀鼓泡流，气含率径向分布比较均匀，而在湍 动流域，气含率就呈抛物线分布，表观气速越大，径向分布越不均匀。 溯 图1 5 气含率径向分布随表观气速的变化【8 0 1 f i g 1 5e v o l u t i o no f r a d i a lg a sh o l d u pp r o f i l e sw i t hs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e si nb u b b l ec o l u m n 【8 0 】 w u 引1 指出分布器对于气含率的影响仅局限在一定的表观气速下，在较高表 观气速下的充分发展区域的气含率分布影响较小。 北京化工大学硕士学位论文 1 4 2 气垫层高度( g a sc a ph e i g h t ) 气垫层高度是在鼓泡塔中加入筛板后，随着表观气速的增加，气体在筛板下侧堆 积而形成的一层气垫层。气垫层的存在对多级鼓泡塔中级内和级间的流动行为有显著 的影响。合适的气垫层高度不仅能保证级问的正常流动，还能保证级内的正常循环流 动，因此对于气垫层高度的研究对于多级反应器的设计和放大具有重要意义。但目前 对于气垫层高度的研究还很少。d r c h e r 和k x i s h n a 对塔径为0 1 ，0 1 5 和0 3 8 m 的带筛 板鼓泡塔的气挚层高度进行了研究【s 2 】。实验中筛板开孔率为1 8 6 和3 0 7 。表观气 速的范围为0 0 5 0 4 m s 。实验结果如图1 - 6 所示，表观气速对于气垫层高度有增加的 影响。同时，气垫层高度对于大塔径鼓泡塔的影响越来越小。因此，在鼓泡塔扩大设 计时，可以较少的考虑气垫层高度的影响。 管 芽 c 翻 兰 厶 糟 。 籀 ， s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y ，【m ，s i 图l _ 6 在塔径分别为0 1 m ，0 1 5 m ，0 3 8 m 的装置开孔率为1 8 6 的筛板的鼓泡塔中气垫层高度随 表观气速的变化【8 2 】 f i g 1 - 6h e i g h to ft h eg a sc a pf o r m i n gb e l o wp a r t i t i o np l a t e sf o rt h r e ec o l u m n sw i t hd i a m e t e r so f 0 10 ，0 15a n d0 3 8 ma n dp l a t e sw i t ha l lo p e na r e ao f18 6 【8 2 1 v a i lb a t e n ，k r i s h n a 也对气垫层高度进行了研究删。其实验和文献【8 2 类似，实验 采用的塔径分别为0 1 m ，o 1 5 m 和0 3 8 m 。其中o 1 5 m 塔径的鼓泡塔采用了1 8 6 和 3 0 7 两种开孔率。结果如图1 7 所示，低开孔率的筛板中气垫层高度更高。大塔径 鼓泡塔中气垫层高度较低。 1 2 文献综述 蚴 一瓴1 5 善 墨0 1 0 雾 嚣n 惦 厶o r a o 1 0 m ( 1 a 6 薯) aa r - o 6 m ( 1 86 ) o 。2o 30 4 蛳嘲一弹训饿：时，u o ，i r r 嗍 图1 7 在塔径分别为o 1 m ，0 1 5 m ，0 3 8 m 的装置开孔率为1 8 6 ，3 0 7 的筛板的鼓泡塔中气垫 层高度随表观气速的变化【8 3 】 f i g 1 - 7h e i g h to ft h eg a sc a pf o r m i n gb e l o wp a r t i t i o np l a t e sf o rt h r e ec o l u m n sw i t hd i a m e t e r so f 0 10 ， o 15a n d0 3 8 m p l a t e sw i t ha no p e na r e ao f18 6 3 0 7 w e r eu s e d t 8 3 1 于伟，王铁峰等也对多级内环流反应器的固含率分布和气垫层高度进行了实验研 刭8 4 】。实验研究了在多孔板级间构件的鼓泡塔中固体颗粒浓度，表观气速，表观液速 和开孔率对级间气垫层高度的影响。实验结果如图1 8 ，1 - 9 所示。气垫层高度随着表 观气速的增加和气体通道开孔率的减小而显著增加，随着固体颗粒浓度，表观液速的 增加和液体通道开孔率的减小而略有减小。实验结果表明新型气液分离式级间构件与 多孔板级间构件相比更有利于实现催化剂颗粒轴向的均匀分布，非常适合于那些具有 较慢反应速率但要求高转化率的气液固三相反应体系 1 4 3s a u t e r 直径 在气泡大小的测量实验中，假定气泡是球形的，用气泡的s a u t e r 弦长来代表气泡的 当量直径，其计算公式如式( 1 1 ) ，气泡直径的测量方法有光散射法、光反射法、电导 法等，而最常用的就是照相法。y a m a s h i t a 等人【8 5 】指出照相法测定的结果与由两点电 探针法测得的结果吻合较好。但是，照相法只有在安静鼓泡流区域( u 。 1 5 c m 时，气泡大小与塔径无关，只取决于 气泡的聚并和破碎的平衡关系。在高粘度液体中，气体的聚并速度加快，低粘度液体 1 4 量j|-一h蕾h薯o 中气泡的破裂显著。增加表面活性剂降低表面张力也可以抑制气泡的聚并。电解质离 子的存在，表面张力会增大，增加了气泡的聚并。工业中鼓泡塔有时在高压下操作， k o i b e l 等人研究了窀气水体系巾压力对气泡大小的影响。发现压力存1 6 m p a 以下时， s a u t g r 直径都1 ；会随压力而变化。 144 液体速度的径向分布 鼓泡塔中液体速度的径向分布决定着鼓泡塔的流型与传递特性。在湍流状态下， 塔内气泡上升速度很快，气液扰动剧烈，气泡有向塔中央聚集的趋势，从而形成中央 气含率大，近壁处气含率小。塔中央部分的液体在大量气泡的带动下，向上流动：近壁 处的液体则向下流动，在全塔范围内形成了多个液相循环流动，剧烈湍动的液体还可 能在某些局部区域内形成小规模的局部循环，如图1 1 0 所示。 h i l l s 口“对液体循环作了研究。在小气速( 安静鼓泡区1 ，塔内没有液相循环。气速 逐渐增大，循环开始u 现，中央的液体向上流近壁的液体向下流。随着气速增大， 液相速度分布变得陡峭。 图1 1 0 鼓泡塔内轴向液速分布i 删 f i g 1 1 0 t h e a x i a l l i q u i d v e l o c i t y o f b u b b l cc o l u m n 【鞯l 北京化工大学硕士学位论文 铴鹈貉孀 彩鲻篆鹎终溅貔豺磁瓣叛燃 u g2 0 1 m s ；h