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北京化工人学硕+ 卜学位论文 多层桨气液搅拌槽内气泡尺寸及局部气含率研究 摘要 气液搅拌槽反应器广泛用于各种过程的工业中。对多层桨气液搅拌槽 的已有研究主要集中在宏观特性方面，如通气功率，临界悬浮以及整体气 含率等。近年来有学者对组合桨h e d t + 2 w h u 搅拌槽内的局部气含率分 布进行研究，但对于其中的气泡尺寸分布等研究还不充分；对于h e d t + 2 w h d 组合桨气液搅拌槽的研究还仅限于宏观特性研究，对搅拌槽内局 部气含率分布、气泡尺寸等的研究还属空白。 本文实验在直径t = 0 4 7 6m ，液位h = 0 8 5 7 m 的椭圆底全挡板搅拌槽 中进行，搅拌桨采用半椭圆管盘式涡轮( h e d t ) 为底桨，宽叶翼形桨 ( w h u ) 为中、上层桨。系统研究h e d t + 2 w h u 搅拌槽内的气泡尺寸分 布及其与通气量、搅拌转速等的关系，深入了解上提式操作模式多层桨体 系内的气液流动状态。研究结果表明：气液搅拌槽体系内的气泡空间分 布很不均匀。常温及非常温条件下，气泡尺寸都随通气量的增加而增大， 但是气泡尺寸随搅拌转速的增加略有减小；并且高温时操作条件对气泡尺 寸的影响效果减小。温度变化对气泡尺寸空间分布也有重要的影响作用， 整体气泡尺寸随温度升高而明显增大。 本文还对h e d t + 2 w h d 下压操作模式的组合桨体系内局部气含率分 布特性进行研究，结果表明：局部气含率随表观气速增大明显增加，但沿 轴向分布趋势比较均匀。通过与h e d t + 2 w h u 的局部气含率分布对比表 明，两种操作模式下的平均气含率接近，但组合桨下压操作时的局部气含 北京化工人学硕一f ：学位论文 率分布较上提操作组合桨更加均匀。通过p i v 方法可以清楚显示两种组 合桨体系内的不同流场分布，并依此对两种操作模式下局部气含率分布差 别进行讨论。 本文的研究结果对于工业中气液两相搅拌反应器的设计和操作具有 一定的参考价值。 关键词：电导探针；气液搅拌槽；复合桨；局部气含率；气泡尺寸分布； p i v 北京化t 人学硕l j 学位论文 l o c a l v b i df r a c t i o na n db u b b l es i z ed i s t r i b u t i o ni na g a s - - l i q u i dm u l t i - i m p e l l e rs t i r r e dt a n k a b s t r a c t t h eg a s l i q u i ds t i r r e dt a n kr e a c t o r sa r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sp r o c e s s i n g i n d u s t r i e s t h ep r e v i o u ss t u d i e si ns t i r r e dt a n kw i t hm u l t i i m p e l l e rm a i n l y f o c u so nt h em a c r os c a l ep r o p e r t i e s ，s u c ha sg a s s e dp o w e rd e m a n d ，t h ec r i t i c a l s u s p e n s i o ns p e e da n dt h eo v e r a l lg a sh o l d u p ，e t c i nt h er e c e n ty e a r s ，s o m e r e s e a r c h e r sh a v es t u d i e do nt h el o c a lv o i df r a c t i o nd i s t r i b u t i o no f h e d t + 2 w h u ，h o w e v e r , t h ed a t af o rt h eb u b b l es i z ed i s t r i b u t i o n sa r es t i l ln o t s u f f i c i e n t t h er e s e a r c ho fh e d t + 2 w h d a g i t a t o r sm a i n l yf o c u s e d o nt h e m a c r o c h a r a c t e r i s t i c a l le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nad i s h e db a s es t i r r e dt a n ko fo 4 8m d i a m e t e r t h ei m p e l l e rc o m b i n a t i o nc o n s i s t e do fah a l fe l l i p t i c a ld i s kt u r b i n e ； ( h e d t ) a st h eb o t t o ma n dt w ou p p u m p i n gw i d e - b l a d eh y d r o f o i l s ( w h o ) a b o v e t h eb u b b l es i z ed i s t r i b u t i o n sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht h es u p e r f i c i a l g a sr a t ea n dt h ea g i t a t i o ns p e e di nh e d t + 2 w h u s t i r r e dt a n kw e r ec a r r i e do u t ， i tc o u l dg i v eab e t t e ru n d e r s t a n d i n go nt h eg a s l i q u i dd i s p e r s i o ni ns t i r r e dt a n k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fb u b b l es i z eo fg a s - l i q u i d s t i r r e dt a n ks y s t e mi ss e r i o u s l yu n e v e n u n d e rt h er o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s ，t h eb u b b l es i z e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eg a sr a t e ， h o w e v e r , t h eb u b b l es i z e si n c r e a s es l i g h t l yw h i l et h ea g i t a t i o ns p e e dd e c r e a s e s 北京化丁人学硕1 ：学位论文 t e m p e r a t u r ea l s oh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eb u b b l es i z ed i s t r i b u t i o n t h eo v e r a l lb u b b l es i z es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e t e m p e r a t u r e t h ed i s t r i b u t i o no ft h el o c a lg a sh o l d u pw i t hh e d t + 2 w h di m p e l l e rw a s a l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k t h er 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 l s o s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gs u p e r f i c i a lg a sr a t e t h ec o m p a r i s o n w i t ht h el o c a lv o i df r a c t i o no fh e d t + 2 w h us h o w st h a tt h ea v e r a g eg a s h o l d u p so ft w od i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e sa r ec l o s e ；h o w e v e r , t h el o c a lg a s h o l d u p d i s t r i b u t i o no fh e d t + 2 w h oi sm o r eu n i f o r mt h a nt h a to f h e d t + 2 w h u f l o wf i e l dd i s t r i b u t i o no ft w od i f f e r e n tc o m b i n a t i o n si m p e l l e r m e a s u r e dw i t hp i vm e t h o d sc a nb eu s e dt ou n d e r s t a n dt h ed i f f e r e n c eo ft h e l o c a lv o i df r a c t i o nf o rb o t hc a s e s t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r eh e l p f u lt ot h eo p t i m u md e s i g na n do p e r a t i o n o fg a s l i q u i ds t i r r e dt a n k s k e y w o r d s ：c o n d u c t i v i t yp r o b e ；g a s - l i q u i ds t i r r e dt a n k ；m u l t i i m p e l l e r ； l o c a lg a sh o l d u p ；b u b b l es i z ed i s t r i b u t i o n ；p i v 北京化工大学硕士学位论文 - - j 一 刖旨 搅拌槽反应器具有相际接触面积大、传热传质效率高、操作弹性大、适用范围广、 操作稳定等优点，因此它在工业生产的各个领域中都得到了极为广泛的应用，并且几 十年来已对搅拌槽内气液两相的分散特性进行了广泛研究。例如：烃类的氧化和加氢、 好氧发酵、污水处理、铁黄生产等许多过程都采用气液搅拌槽反应器。 目前的大量研究仍局限于单层和双层搅拌桨，对于三层或者三层以上搅拌桨的研 究比较少。并且多数研究仅是针对同一种桨的多层操作而言，而对往往为实际工业过 程所需的由不同桨型构成的多层组合桨的气液分散特性研究较少。在流体混合过程中 机械搅拌是最常用的一种方式，不同形式的搅拌桨会产生不同形式的流场。所以对于 多层复合桨体系内的气液流动状况是目前研究的主要关注内容。 气液两相流在化工生产过程中是常见的现象，测定气液两相流中气泡的参数( 气 泡运动速度、粒径、气含率及表面浓度) 具有重要意义。气液两相流参数测量的趋势 已经从早期较多关注的宏观平均量测量发展到采用小型或微型探头进行的局部参数 测量。其中电导探针测量局部统计参数越来越受到人们重视，单头电导探针法可以测 量两相流的局部空隙率和气泡频率，双头电导探针还能测量气泡速度、气泡尺寸、界 面浓度等局部统计参数。测定搅拌反应器内的局部气含率及气泡参数，对于搅拌槽的 设计、放大以及了解搅拌槽内的气液反应情况，都具有重要的理论和指导性作用，同 时对于深入研究搅拌槽内气液两相流数学模型化提供实验依据。 本文在已有的气液两相冷态及热态体系研究基础上，利用以前工作中推荐的三层 组合桨型h e d t + 2 w h u ，研究体系内的气泡尺寸分布情况。文献中已涉及有组合桨型 h e d t + 2 w h u 两相局部气含率的研究，分析了体系内的气液分散状况。本文延续此部 分研究内容，对该组合桨型在冷态及热态通气条件下，包括搅拌转速及通气量等操作 条件对气泡尺寸分布的影响进行研究。进一步完善了三层组合桨型h e d t + 2 w h u 体系 内气液反应情况，并对气液固三相体系内气泡尺寸分布进行了探索性的研究。从而 为该条件下的搅拌槽设计提供重要的设计参考。 在论文中，针对三层组合桨型h e d t + 2 w h d 下压操作模式，研究了体系内的局部 气含率分布。工业生产中对于搅拌槽下压操作已有很多应用，但是目i j 文献中还尚未 涉及。本文对该组合桨型在冷态通气条件下研究局部气含率的影响，并比较 h e d t + 2 w h d 和h e d t + 2 w h u 两种操作模式体系内的气液分散情况，为相应的实际工 业设计和应用提供参考。 北京化工人学硕上学位论文 c c 。 c d d 3 2 l b d 以6 p ( 如) p p ( d b ) p ( i ) p ( d b ) f l g f r g h 符号说明 搅拌桨离底高度 固相体积百分浓度 分散系数 搅拌桨直径 颗粒直径 气泡弦长 两探头之间的垂直距离 测得的气泡个数 气泡弦长的概率密度分数 与探针接触气泡大小的概率密度分 条件概率密度函数 体系中气泡大小的概率密度分布 通气流量准数( = q g + v n d 3 ) 佛鲁德准数( = n z d g ) 重力加速度 液位高度 通气时搅拌槽内液面高度 未通气时搅拌槽内液面高度 液位修正系数 扭矩传感器系数 搅拌桨叶片长度 搅拌转速 气泡采集的数量 功率准数 通气时的功率准数 大气压 水的饱和蒸气压 未通气时搅拌功率 压缩空气带入体系的势能 通气时的搅拌功率 单位质量流体的搅拌功率 输入体系的机械能 通入搅拌槽内气体的体积流量 气体的总体积流量 搅拌槽直径 测量点距槽中心的距离 搅拌雷诺( = p 1 d 2 n i , u ) x i m m m m 眦 l 、， 一， 咯 n k m m 一 一删m m m mm一 一 一h h w w ww挑挑m m 一胁，日k，协助坛肋肌岛只乓厶竹珐翰尺厂胎 北京化t 大学硕i ：学位论文 相对功率需求，( = p g p o ) 气体分布器离底距离 搅拌槽直径 冷空气的温度 第i 个气泡经过的时间 实验体系绝对温度 实验体系摄氏温度 表观气速 总采样时间 测量点的轴向高度 气含率 表面张力 密度 动力粘度 局部气含率平均值 标准偏差 主要搅拌桨型 h e d t 径向流半椭圆管盘式涡轮 w h 轴向流型的四宽叶翼形桨 p d t 径向流抛物线型盘式涡轮 北京化工大学设计 北京化工大学设计 北京化工大学设计 一叻 m恤唔 一 m m s k n s m 一k h 一 一 艘s r乃匆，珞磁z盯以一占 矿 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： 鸶逊 日期：趁坦：国 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：杰出逸 导师签名：芝翌主 日期：型! ! 二! ：! 北京化t 大学硕一卜学位论义 第一章文献综述 1 1多相流搅拌设备在工业中的应用 机械搅拌反应器是气液两相和气液固三相反应器的重要形式之一，具有操作灵 活、适用性强等优点。化学反应中的氧化、氢化、卤化反应可以在搅拌反应器中进行， 并且多相之间的混合、传热以及传质反应也可以在搅拌槽中完成【lj 。所以机械搅拌釜 可以广泛应用于生物化工、石油化工、制药、冶金、污水处理、食品等过程工业中。 气液分散状况是气液反应的前提和基础，搅拌反应器内的气体分散状况的好与坏 是决定多相之间传质和反应的关键。根据已有的研究结果发现：搅拌桨的桨叶设计、 搅拌槽内挡板分布的设计、搅拌桨组合方式的安排以及气体通入方式的设计都可以影 响槽内气液分散状况。并且在实验过程中搅拌转速以及表观转速等因素的改变也与槽 内气液分散密切相关。其中搅拌桨桨叶的设计包括搅拌桨的形状、桨叶叶数和桨叶角 度等参数【2 捌。根据工业生产现状，研究所用的搅拌反应器内通常多采用双层桨或是多 层桨，并且对一系列搅拌桨进行了条件性选择及组合优化安排，以达到所需要的最佳 气液分散效果，来提高生产应用中价值。 依据搅拌槽内的不同相态之间的反应，可以将搅拌槽两相体系分成：气液、固 液、液液体系，而搅拌槽内的三相体系为气液固三相体系。但是固相浓度相对于液 体的密度又有所差异，所以三相体系又分为气液下沉颗粒以及气液上浮颗粒两种形 式。 1 1 1 气液两相搅拌槽反应器的研究进展 气液两相搅拌反应器的研究经历了从简易到复杂，从常温到热态不同的转化阶 段。在2 0 世纪末期，工业生产中逐步使用搅拌反应器，对于气液两相搅拌反应器的 研究逐渐开始；上世纪8 0 年代后期，随着气液搅拌槽在实际生产中的广泛应用，使 得这一领域的研究及技术开发工作十分活跃，取得了快速的发展。再到上世纪9 0 年 代初期，气液搅拌槽内的研究进一步发展，但仍处在宏观特性的研究。由于都受到搅 拌槽内对于气液分散状况测试手段的限制，槽内体系的研究都以宏观方面为主，得到 一些经验关联式。基本上从整个方面看，研究工作仍处在由纯经验研究向半经验半理 论研究方面转化的阶段。本世纪初期对于搅拌槽内气液流动特性的研究有了飞跃的进 展，测试方法的改进改变了实验研究的方向，研究逐步从宏观特性进入到搅拌槽内微 观特性的测试。并且对于常温条件下的体系研究逐步转移到热态及沸腾态体系下的研 究。 北京化工人学硕士学位论文 1 1 2 气液固三相搅拌槽反应器的研究进展 2 0 世纪末，工业中搅拌槽的广泛应用促使研究更进一步深入考察不同搅拌槽内的 气液流动特性。单一研究气液两相搅拌槽反应器内的流体的宏观及微观特性状况显然 不能满足工业搅拌槽设计及可控操作的需要，所以从气液两相搅拌槽的研究开始逐步 涉及到气液固三相搅拌反应器的研究当中。但是近几年来，三相搅拌反应器的研究 多停留在宏观方面上，例如总体气含率，临界悬浮转速等。对于下沉颗粒的气液固 三相搅拌反应器逐步涉及了微观特性一局部气含率的研究，但是进一步气泡尺寸分布 的研究仍尚属空白。随着技术进步及工业生产规模的变化，实际工业中的气液下沉 颗粒搅拌槽反应的研究也处在初级探索程度上。 目前多数研究主要围绕在三相体系中的冷态方向，测试分析了搅拌槽体系内的宏 观特性，如功率特性，整体气含率特性、固相临界悬浮特性等方面，并且依据实验数 据得到了一些回归经验关联式；另一方面研究还围绕在搅拌槽设计尺寸对气液流动特 性的影响，例如搅拌槽的挡板设计、搅拌桨的组合类型等。对于固相颗粒浓度的影响， 不同学者关于固相浓度与气含率关联趋势的比较结果不尽相同。 搅拌槽内气一液固三相体系的研究尚属初期阶段，很多研究并不充分。对于局部 气含率及气泡尺寸的分布研究，以及热态和沸腾态条件下的研究都尚未在研究中进 行。 1 2 搅拌桨型的研究进展 对于气液两相或是气液固三相体系，搅拌桨的作用更多的是为了使气体很好的 被分散，因此需要具有较强的径向剪切分散能力的搅拌型类型。并且对搅拌槽内气液 分散的研究，所使用的搅拌桨的类型也逐渐开始多样化，逐步由传统的涡轮桨转移到 新开发的不同径向流及轴向流式桨叶。在近年来搅拌桨的开发应用中，c h e m i n e e r 公 司研发了c d 6 、b t - 6 、m a x f l o 等桨叶型式；l i g h t n i n 公司研发了a 3 1 5 、a 3 4 0 等桨 叶型式【_ 卜1 1 】。图1 - 1 所列举的一些新型桨叶型式，其中包括以下几种：l i g h t n i n 公司研 发的径向流深凹叶盘式涡轮桨r 1 3 0 及宽叶轴流式桨a 3 1 5 、a 3 4 0 ；c h e m i n e e r 公司研 发的c d 6 、b t - 6 ；p r o c h e m 公司研发的m a x f l o w ( m f ) 、i c i 公司研发的g a s f o i l ：北 京化工大学研发的径向流桨h e d t 及宽叶翼形桨w h 系列；以及华东理工大学研发的 k 4 、k 5 系列轴向流桨【l7 1 等。在气液固三相体系中，研究所用的搅拌桨也逐渐由两 层转变为三层组合方式，来满足实际工业过程所需要桨叶构成及组合型式。已有学者 1 2 - 1 6 】对于两层桨及三层搅拌桨的差异进行研究，结果表明：对于反应器的高径比大于 1 5 时的搅拌槽，发现采用三层桨时的气液流动状态比两层桨时的体系流动状态更加 均匀。 2 北京化i 学颐学位论文 露每黄攀 ( a ) l i 曲b i n a 3 1 5曲) l i 曲t n i n a 3 4 0 窀叶轴流式桨宽叶轴流式桨 ( c ) c h e m i n e e r c d _ 6 器h 鬻e m 鬻i n e e r b t 6 羚务1 黄芝 ( e ) p r 础蛐m a x f l o w( o i c i g 如f o i l ( g f ) ( g ) 北化h e d t 径向 ( m f ) 宽叶轴流式桨 径向流深凹叶涡轮 流半椭圆管盘式涡轮 图1 - 1 用于气渡分散的新型搅拌桨 f i g 1 - 1 n d w t y p eo f i m p c l l e b f o r g a s l i q u i dd i s p c t s i o n f h l 北化w h 四宽叶翼形轴流桨 已有学者对于多层组合桨进行研究分析。2 0 0 4 年郝志刚等田1 研究了多层组合桨 搅拌槽内气液的分散特性，分析了径向流的六叶半椭圆管叶盘式涡轮桨( h a l f e l l i p t i c a l d i s kt u r b i n e , 用h e d t 表示) 及四叶宽叶翼型桨( w h ) 的上提( w h u ) 及下压操作( w h d ) 方式组成6 种不同的三层组合搅拌桨，认为底层桨是决定气一液分散好坏的关键，上 几层桨只是起着辅助作用。2 0 0 5 年龙建刚等口3 i ，分别研究了径向流桨( 八弯叶涡轮 c d t - 8 ) 组合、轴流式搅拌桨( 四叶宽叶翼形w h 桨) 组合及混合流型组合桨( 径向 流的六叶半椭圆管盘式涡轮h e d t 与三窄叶翼形桨c b y ) ，结果表明综合考虑r p d 和气含率两方面因素，混合流组合桨虽适宜于气，液分散。包雨云等】_ 在此基础上研 究推荐h e d t 为底桨，两层宽叶翼形桨w h 上提或者下压操作时较其它几种组合桨更 适于气液分散过程。 1 3 多相流体系中的测试方法 由于搅拌槽气液两相及气- 液一固三相体系内的气液流动状态比较复杂，对其微观 特性参数的测定技术都有一定的局限性。近年来，随着测试技术的不断发展，根据测 试手段是否浸入搅拌槽体系可以基本上分为两类：一种是浸入式测试技术，另一种为 非浸入式测试技术1 8 - 1 9 l 。其中，非浸入式澳l 试技术的优点为其测量不会干扰到流场， 北京化- t 人学硕 ：学位论文 因此受到很多研究者的关注，包括照相法和图像处理技术。而浸入式技术可以对体系 内气液分散中气泡做出更为细致的测定，测量技术包括光导法、光电法以及电导探针 法。 1 3 1 照相法 照相法是一种比较经典和成熟的方法，其实验测定微观参数时并不会干扰到搅拌 槽内的流场状态。但是照相法有一些主要缺点：一、采用照相技术对实验部分分区进 行拍照，但要拍摄到设备中心某一断面的图像是很困难的，并且图片中的气泡有可能 连粘或是重叠，并不能清楚的显示搅拌槽内的气液状态；二、照相法不具有实时性， 实验结束后信息处理所需时间较长，并且需要有专门的图像分析仪器；三、照相法不 适合于高气相浓度下气泡参数的测量，测定时照片容易产生视差，而且照相只能照到 表面附近的气泡；四、照相法多在气一液两相中进行测定，并且只能在单层桨二维空间 内进行。此外照相法一般不会在气液固三相体系内进行参数测定，固体颗粒会对其 模糊照片的清晰度。并且照相法也不能直接收集诸如局部气含率、局部气泡频率、气 泡大小及分布等信息。 照相法处理时可以将拍成的照片按等面积迭加进行统计。对于圆筒壁，由于凸面 的影响，处理时会造成一定误差。当气泡直径 2 i l l i i l 时，则呈椭球形。若设长轴为l 。， 短轴为l b ，可按下式计算气泡当量直径 d b = ( 1 a 2 1 b 2 ) 1 7 3 干涉法是基于激光多普勒测速原理的一种测试技术，它可以同时测量气泡的尺寸 及速度，但由于被测设备的形状及性质的不同，其对光的反射及折射效果有所差别， 导致气泡在穿过两束激光相交区域时，所产生的干涉条纹间距有所偏差，测得气泡的 大小有一定的偏差【2 们。 1 3 2 图象处理技术 图像处理技术也可以实现非接触测量，和其他测试方法相比具有很大的优势。近 年来的研究表明，图像处理技术已经在多个测量领域开始进行应用处理分析。测量技 术包括结合激光和示踪技术而形成的流型显示技术、速度场测试技术和流场模拟技 术。但是在处理过程中需要大型计算机的辅助。 1 3 3 光导法 光导测量技术可分为分散法和反射法两种测试方法。分散法是通过测定平行光柱 经过液相中气泡群前后光的强度变化来确定气泡的大小；而反射法仅适用于搅拌器壁 4 北京化t 人学硕 ：学位论文 处气泡行为参数的测量，是通过测定光经过器壁的折射强度和反射强度来确定气泡大 小。 目前，光导法主要应用于透明、简单设备( 内部无构件) 内气泡脾i s e 厶匕f j l 6 参数的测量。 对于不透明的气提式外环流反应器，可将光纤引入其中，进行气泡行为的测定。 1 3 4 光电法 光电法是结合硬件和软件( 采集程序) 来测量气泡性能参数的一种测试方法，适合 于气液两相及气液固三相体系内气泡性能参数的测定。其中毛细管光电法由于采用 在被测装置中插入端口为喇叭嘴形的毛细管不断进行抽吸，使气泡不断吸入毛细管流 经光电检测器，导致毛细管端口附近的流场发生变化，不能准确地测出气泡大小的实 际分布。 1 3 5 电导电极法 电导电极法是目前气泡性能参数测量中比较常用的一种测试方法。特别适合于气 泡大小为0 2 - - 5 m m 的小气泡且多相流主体为一维流动的气液两相流体系。为了提高 测试结果的精确性，采用外部设备( 微型双针电阻探头、驱动电路) 和计算机软件程序 设计相结合的方法来开发或改进微型双针电阻测试技术。 当然，电导法在测量方面也有一定的缺陷，主要表现在多个电极处于同一电解质 溶液时，易产生共模干扰。但是，同其它测试方法相比，电导法相对比较成熟，且采 取一定的措施，可避免共模干扰发型2 。电导探针法虽然是接触式测量技术，但它不 受操作人员熟练程度的影响，并且可以直接给出电信号。 1 4 局部气含率特性的研究 局部气含率是表征搅拌槽内局部气液分散状况的一个重要参数，它反映了气液两 相体系中气体的局部分散和传质特性。另外，在搅拌槽内局部气含率的分布也对工业 生产有着重要的影响，不同的工艺过程需要不同的气含率分布情况。由此可见，对搅 拌槽内局部气含率的深入研究有助于反应器的设计、放大和改造。 1 4 1 气液两相局部气含率 多数研究者普遍认为，不同组合桨会有不同的气液分散效果。沈春银等【1 1 研究了 六叶翼型桨6 k 5 和圆盘透平桨r t 组合时气液两相的持气特性，结果表明：在轴向流 组合桨中，翼型轴流组合桨可比斜叶轴流组合桨获得更高的气含率。1 9 9 4 年高正明等 5 北京化工人学硕1 j 学位论文 口6 】对搅拌槽内局部气含率的研究表明，搅拌槽内的局部气含率空间分布很不均匀，上 循环区的局部气含率最大，下循环区的局部气含率远小于上循环区及叶轮区的局部气 含率数值。2 0 0 8 年b a oy 掣2 。7 】对搅拌桨型为h e d t + 2 w h u 的搅拌槽中局部气含率研 究表明：上层桨和底层桨附近局部气含率值较高，而中层桨附近的气含率值较小。其 中，表观气速的增加会使得搅拌槽内大部分轴向测量点的局部气含率呈现明显增大的 趋势。 在非常温条件下局部气含率的研究略有不同。2 0 0 2 年王志峰掣2 8 】对搅拌槽中非 稳态搅拌槽内流场研究表明，不同温度下的搅拌反应器内流场分布趋势与桨叶产生的 流型相关。2 0 0 2 年g a oz 等【2 9 】研究了多层桨搅拌槽内非常温体系局部气含率分布， 结果表明：热通气体系下的局部气含率分布与常温通气体系相似，在相同的总通气流 速及搅拌转速下，前者的局部气含率比后者小约4 0 。并得出表1 1 所示的结果。2 0 0 9 年b a oy 等【3 0 】详细研究了搅拌槽内局部气含率分布，结果发现：无论是常温还是热态 体系，局部气含率都随表观气速的增加而普遍增大；搅拌转速的提高或者输入功率的 增加，也使局部气含率出现明显增大趋势，但是不会改变分布曲线的形状。研究还表 明局部气含率随着温度的增加明显递减。 表1 - 1 文献的热态气含率的研究结果 t a b l e1 - 1r e s u l to ft h eg a sh o l du pi nh o ts y s t e mm e n t i o n e di nr e f e r e n c e 组合桨气含率 b t - 6 + 2 m f u 3 a 3 4 0 u 2 b t 6 + c d 6 8g2 0 7 0 p o 2 5 v s o 6 5 g20 5 0 p m o 1 2 v s o 6 5 g = 0 6 ( ) p m 。1 2 v s 。6 5 1 4 2 气液固三相局部气含率 2 0 0 9 年b a oy 等【3 0 1 研究了气液固三相搅拌槽内的局部气含率，结果表明，局部 气含率也会随着玻璃珠体积分数的增加而显著减小，但是在浓度 o 8 8 中层桨以上范围 r r = o 7 的局部气含率普遍大于r r = o 8 5 的局部气含率。图( b ) 表明相同气量时，距搅 拌桨较近r r = o 7 时采集到的气泡数量明显较槽壁附近多。图4 - 4 ( a ) 及( b ) 中不同表观 气速时径向位置影响不同，表观气速较低时，尽管r r = o 7 中层桨上方的局部气含率 肌一 嘶 一 肺 哪 一 一 啪 嘶 一 一 一 北京化_ t 大学硕i ：学位论文 略高，在中层桨以下区域，气泡随搅拌底桨的径向液流运动至槽壁的可能性增大， r r = o 8 5 的局部气含率相反较高。表观气速增加一倍，由于搅拌转速并未增加，气体 被分散所得气泡尺寸会加大，受浮力作用上升的机率加大，因此导致距槽中心区局部 气含率增加更明显。表4 2 详细列出了一些径向位置比较值，以v s 为o 0 1 5 6 m s 为例。 占 ( a ) v s = 0 0 1 5 6m s 占 ( b ) v s = 0 0 3 1 2m s 图3 _ 4 径向位置对局部气含率分布的影响 f i g u r e3 - 4c o m p a r i s o no ft h el o c a lv o i df r a c t i o nf o rt w od i f f e r e n tr a d i a lp o s i t i o n s 4 7 北京化工人学硕一i ：学位论文 表4 - 2 不同径向位置局部气含率比较 t a b l e 4 2c o m p a r i s o no ft h er a d i a ll o c a lv o i df r a c t i o na td i f f e r e n tp o s i t i o n o 0 1 5 6 1 0 2 0 4 1 0 7 0 0 8 5 0 7 0 0 8 5 6 3 3 5 5 3 1 0 4 1 2 4 3 两种操作方式的对比 已有的研究中对多层桨上提式操作体系局部气含率的考察较多，并且在这种系统 中分析了不同操作条件的影响，以及非常温下的局部气含率分布。而对于气液两相下 压式操作的局部气含率的实验分析较少，两种不同操作方式下的体系内的局部气含率 差异是本节主要内容。 4 3 1 局部气含率对比 本研究探索实验中观察了上提式操作h e d t + 2 w h u 以及下压式操作 h e d t + 2 w h d 搅拌槽内的气液分散状况。通过搅拌槽前后的视镜观察在高低转速以及 不同通气量条件下液体湍动程度和气液分散程度。实验观察表明：在同等实验条件下， 下压式操作方式的搅拌槽内液体湍动程度更加剧烈一些，观察到的气泡体积较之上提 式操作体系中的气泡略大，并且气泡上升等其他活动也都更加剧烈。高转速下、高气 量实验条件下上提式操作h e d t + 2 w h u 体系内的气液湍动状态，与稍低转速，稍小气 量下压式操作h e d t + 2 w h d 体系中的气液湍动状态相似。可以推测下压式操作搅拌槽 内的气液分散状况更好，但是这是在肉眼观察视镜中体系气液流动状态得到的，具体 两种不同操作方式对系统内的气液分散状况的影响需要进一步实验测定确定。 图4 5 所示为相同实验条件下不同操作方式( 下压式操作h e d t + 2 w h d 和上提式 操作h e d t + 2 w h u ) 局部气含率分布对比。研究发现两种操作方式槽内局部气含率分 布差别很大，这与前一部分实验差得到的结果吻合。上提式h e d t + 2 w h u 操作中，在 底桨上方及上层桨上方位置明显存在两个局部气含率峰值，其中上层桨上部的局部气 含率可高达平均气含率的两倍；而下压式h e d t + 2 w h d 操作的局部气含率最大值则位 于底桨附近。另外，采用上提式操作时自由液面附近的局部气含率也明显高于下压式 操作。分析其原因，可能这与中、上层桨排液方式有关，采用2 w h u 时，气泡在自身 浮力作用下向上运动，而向上运动的液流加大了气泡集存在搅拌槽上部的可能性。因 此造成以z t = o 9 为界，搅拌槽上部采用2 w h u 时局部气含率数值高于采用2 w h d 方 北京化工人学硕： ：学位论文 式下的局部气含率数值；而搅拌槽下部则恰好相反。所以两种不同操作方式直接造成 了搅拌槽内各区域之间气液分散状况差异。 ( a ) v s = 0 0 15 6m s ( b ) v s 2 0 0 31 2m s 图4 5 操作方式对局部气含率的影响 f i g u r e4 - 5 i n f l u e n c eo ft h em o d eo fo p e r a t i o n0 1 1l o c a lv o i df r a c t i o n 4 3 2 总体气含率及平均气含率对比 本实验课题组采用液位计测定搅拌槽内整体气含率数值，其基本原理为测高法， 即通过测得搅拌槽内通气前后总的液位高度，利用式( 4 1 ) 计算气含率： 4 9 北京化丁大学硕? = 学位论文 h 一hq龃 占= ：- 一= h 2 一h 、hz h f ，n 。9 叮。1 ， 其计算式中，o e 为通气后的气含率；凰为通气后搅拌槽内液位 m 】；h o 为通气前 搅拌槽内的液位，本实验中h o = o 8 5 7m ；h 为将椭圆底槽体按平底槽体计算时的修正 系数，取日，= 0 0 4 0m 。测定整体气含率时，通常是在一定的通气流量下逐渐增加搅拌 转速，从而改变搅拌功率测得对应于每个输入功率的气含率数值。 定义总体气含率为通过测量槽内流体通气前后液位变化关系计算所得的气含率； 而平均气含率则是利用不同轴向位置处测得的局部气含率数据进行的平均数值所得。 由于平均气含率仅为2 个径向位置各3 2 个轴向位置数据的平均值，因此与总体气含 率数值不一定相等。本实验从两个部分考查总体气含率与平均气含率的对比：第一部 分，操作条件同为下压式操作h e d t + 2 w h d ，利用文献中总体气含率数值与本实验研 究中所得的平均气含率数值做对比分析；第二部分，不同操作条件( h e d t + 2 w h u 和 h e d t + 2 w h d ) 下的各自总体气含率和气含率平均值做对比分析。 将b a oy 等【4 3 】测得的h e d t + 2 w h d 及h e d t + 2 w h u 的总体气含率及利用本实验 所测局部气含率计算平均气含率数据一并列于表4 。3 中进行对比分析。 表4 - 3 总体气含率及平均气含率对比 t a b l e4 3 c o m p a r i s o no ft h eg l o b a lg a sh o l d u pa n dt h em e a nv o i d a g e 表观气速v s ( m s ) 桨型及径向位置总体气含率1 3 1 局部气含率平均值 表4 3 数据表明： ( 1 )操作方式为h e d t + 2 w h d 的搅拌槽内总体气含率数值与局部气含率平均值 不同，并且局部气含率平均值在不同气量下都小于总体气含率数值。分析可能的原因 为：局部气含率代表搅拌槽内全槽各区域测量点的变化，在某些区域例如桨叶附近数 值略大一些，某些区域例如液面附近略小一些，平均之后不能完全代表整个搅拌槽内 气含率数值；而且实验中为两个径向距离各3 2 个测量点下的实验数据，并没有在距 离桨叶很近的距离取值，损失了一些大局部气含率数值。都要可能造成数值偏小。 ( 2 ) 操作方式h e d t + 2 w h d 及h e d t + 2 w h u 搅拌槽内总体气含率数值接近，局 部气含率数值也接近，但是略有差异。通过实验数据分析：操作方式的改变，并没有 北京化t 人学硕i ：学位论义 直接改变搅拌槽内的气体体积流量，所以表现为整体气含率数值不变。但是操作方式 的不同却能改变搅拌槽内的气液分散状况，这在图3 5 表现的很清楚。局部气含率平 均值不完全体现整个搅拌槽内气液状况，所以不同操作方式的平均值相近但是略有差 异。 总体来说两种桨型的总体气含率相近，但从两个径向位置测得的局部气含率的平 均值略低于总体气含率数值。 4 3 3 分散系数对比 实验中引用分散系数的概念，它能够反映搅拌设备内不同区域的气体分散状况， 在气液分散中有着极其重要的作用。虽然气体分散的均匀程度不能通过整体气含率来 进行表征，但是通过对搅拌槽内各个位置处局部气含率分布的测定，使得在不同操作 条件下对气体分散均匀性的评估成为可能。式( 4 2 ) 即为分散系数c 的数学表达式，用 于评价气体在体系中的分散均匀度。 c ：呈 s ( 4 - 2 ) 其中仃是标准方差， ；s 是平均气含率，即所测平面上各测点局部 气含率的算术平均值；是各个测量位置测得的局部气含率，c 越小说明气体在槽内 分散均匀度越高。 表4 4 中给出了采用h e d t + 2 w h d 在不同表观气速及径向位置时计算得分散系 数，并与b a oy 等 5 8 1 采用h e d t + 2 w h u 时综合考虑两个径向位置计算所的分散系数 结果进行对比。 表4 - 4 分散系数对比 t a b l e4 - 4 c o m p a r i s o no fv a r i a t i o nc o e f f i c i e n t _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一1 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ 一 表观气速v s ( n g s ) 桨型及径向位置 分散系数c 北京化- t 大学硕士学位论文 由表4 4 我们可以看出，操作方式为h e d t + 2 w h d 的组合桨，随着表观气速v s 由0 0 1 5 6 m s 增加到0 0 3 1 2 m s ，同一径向位置的分散系数略有增加，例如：r r = 0 7 0 时分散系数c 由0 0 1 6 7 增加到0 0 1 7 3 。这说明在通入气体流量增加而保持搅拌转速 恒定时，气液分散状况变差，搅拌槽内气含率分布均匀性变差，所以分散系数