（化学工程专业论文）微孔气液接触器的传质性能研究.pdf

中北大学学位论文 微孔气液接触器的传质性能研究 摘要 微孔气液接触器利用微孔气体分布器将气体扩散成微小气泡，极大地提高了气液接 触面积，强化了气液传质过程，广泛地应用于气液传质过程。本文根据文献资料，综述 了有关气液接触器形成气泡的过程、气泡传质机理的研究及其应用现状。根据现状分析 可知，科学工作者主要集中对常规气液接触器进行了相关的实验研究，结果表明，这些 气液接触器所形成的气泡分散性能差，气液传质性能低。因此，开发一种能在较低能耗 下达到较高传质效果的微孔气体接触器，具有十分重要的意义。 本文采用自制的微孔气液接触器( 气体分布器平均孔径为1 岬) ，进行了传质和应 用方面的实验研究。以n a 2 s 0 3 溶液和空气为体系测定了气液传质比表面积a ，仅随液面 高度h 和表面张力。的增大而减小，而随气体流量q 的增大先增大后减小，应用因次分 析方法对实验数据进行处理，得到一经验关联式，间接反映出各个因素对0 【的影响；以 水和空气为体系测定了液相体积传质系数k l a ，k l a 随q 的增大而增大，并近似为线性 关系，线性关系随着液面高度h 的增大变得更明显，而k l a 随h 的增大而减小，运用相 似理论，提出了一个与h 相关的经验模型，为不同h 下的k l a 提供了理论基础；以n a o h 溶液作为吸收剂，研究了微孔气液接触器吸收混合气体中c 0 2 的过程，吸收率r 随着气 体流量的增大而减小，随着液体流量和吸收剂浓度的增大而增大，随着膜侧压差的增大， r 呈先增大后减小的趋势。 本文研究表明，与传统传质设备比较，微孔气液接触器的气液传质比表面积0 【要高 出数倍至数十倍；与常规的气液接触器比较，其体积传质系数k l a 和动力效率e p 要高 出数倍；将微孔气液接触器应用于c 0 2 的吸收，吸收率最高可达9 9 。综上所述，本实 验所用的自主研发的微孔气液接触器，具有传质效率高，混合性能好；无传动部件，维 护方便、操作简单等优点。本论文为微孔气液接触器工业化应用提供了基础数据，具有 一定的参考价值和指导意义。 关键词：微孔气液接触器，气液传质，气液传质比表面积，体积传质系数，动力效率 中北大学学位论文 s t u d yo nm a s s t r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fm i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o r a bs t r a c t m i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o rm a k e su s eo fm i c r o p o r o u sg a sd i s t r i b u t o ri sa p p l i e di n m a s st r a n s f e r , w h i c hd i v i d e sg a si n t om i c r o b u b b l e ，i th a sg r e a t l yi n c r e a s e dg a sl i q u i dc o n t a c t a r e aa n de n h a n c e dg a sl i q u i dm a s st r a n s f e r a c c o r d i n gt ot h el i t e r a t u r e s ，t h ed e v e l o p m e n t so n g a sl i q u i dc o n t a c t o ri nf o r m a t i o no fb u b b l e ，m a s st r a n s f e rm e c h a n i s ma n di t sa p p l i c a t i o na re s u m m a r i z e d a tp r e s e n t ，a p e r t u r eo fw h i c hi sl a r g e rt h a nlm mw a ss t u d i e db ym a n yb o f f i n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a td i s p e r s e dp e r f o r m a n c eo fb u b b l ef o r m e df r o mg a sl i q u i dc o n t a c t o ri s b a d ，g a sl i q u i dt r a n s f e ri sw o r s e s o ，i n v e n t i n ga n e wk i n do fm i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o r w h i c hc a na c h i e v eh i g h e rm a s st r a n s f e re f f e c tw i t hl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o np l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l ei no u rs t u d y i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya b o u tm a s st r a n s f e ra n da p p l i c a t i o no fh o m e m a d e r e a c t o rw i t hm i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o r ( i t sa v e r a g ea p e r t u r eo fg a sd i s t r i b u t o ri s1l x m ) w a sd o n e w et o o kn a 2 s 0 3a n da i ra sas y s t e mt os t u d ym a s st r a n s f e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a t h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e ad e c r e a s e dw i t hi n c r e a s e dl i q u i dh e i g h ta n d s u r f a c et e n s i o n ，i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s e dg a sf l u x 。w h i l eg a sf l u xg e n t l yd e c r e a s i n ga tt h e h i g hp o i n t g a s l i q u i dm a s st r a n s f e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e ab e g a nt od e c r e a s e ac o r r e l a t i o nw a s n o n l i n e a r l yr e g r e s s e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t ab yt h ew a yo ft h ed i m e n s i o n a la n a l y s i s ，w h i c h s h o w e dt h ei n f l u e n c e sb e t w e e nm a s st r a n s f e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n da l lk i n d so ff a c t o r s i n d i r e c t l y t h el i q u i dv o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( k l a ) w a ss t u d i e db yas y s t e m c o n t a i n e dw a t e ra n da i r k l ai n c r e a s e dw i t hi n c r e a s e dg a sf l u x ( q ) ，a n dal i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dg a sf l u xb e c o m eo b v i o u sw i t hi n c r e a s e dl i q u i dh e i g h t w h i l em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n td e c r e a s e dw i t hi n c r e a s e dl i q u i dh e i g h t a tl a s t ，t h ee m p i r i c a l m o d e lw a ss e tu p b yt h ew a yo fs i m i l a r i t yt h e o r y , w h i c hp r o v i d e dt h e o r yf o rk l ai nd i f f e r e n th t h ea b s o r p t i o np r o c e s so fc 0 2i nm i x e dg a sb ym i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o rw a ss t u d i e d w i t hs o d i u mh y d r o x i d es o l u t i o na sa b s o r b e n t t h ea b s o r p t i v i t yo fc 0 2d e c r e a s e dw i m i i 中北大学学位论文 i n c r e a s e dg a sf l u x ，b u ti n c r e a s e dw i t hl i q u i df l u xa n da b s o r b e n ts o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n w h e n p r e s s u r ed r o pb e t w e e nt w os i d e so fc e r a m i cm e m b r a n ei n c r e a s e d ，t h ea b s o r p t i v i t yi n c r e a s e d f i r s t l y , a n dd e c r e a s e dl a t e r i ti se x p e c t e dt h a tg a s - l i q u i dm a s st r a n s f e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e ai ss e v e r a lo rs e v e r a lt e n s t i m e sh i g h e rt h a nc o n v e n t i o n a lf l a y a n dc o m p a r e dw i t hg a sl i q u i dc o n t a c t o rw i t ha p e r t u r e l a r g e rt h a nlm m ，t h el i q u i dv o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( k l a ) a n dp o w e re f f i c i e n c y ( e p ) a r es e v e r a lt i m e sh i g h e r t h ea b s o r p t i v i t yo fc 0 2c a nb eu pt o9 9 w h e nt h e m i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o ri su s e di na b s o r b i n gc 0 2 m i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o r h a se x c e l l e n tm a s st r a n s f e r , m i c r o - m i x i n g ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，b e i n ge a s i l yd e s i g na n d m a n i p u l a t e t h ep a p e rh a sp r o v i d e dt h eb a s i cd a t af o ri n d u s t r i a le x p e r i m e n t a t i o n i tw i l lh a v e s o m er e f e r e n c ev a l u ea n dg u i d a n c e k e y w o r d s ：m i c r o p o r o u sg a sl i q u i dc o n t a c t o r , g a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r , g a s - l i q u i dm a s s t r a n s f e r s p e c i f i cs u r f a c e ，l i q u i dv o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，p o w e r e f f i c i e n c y i i i 中北大学学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 潭逖 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：婆童造 导师签名 芝1 叠缁一 日期：鲨竺2 ：垦：三 日期：丝2 垄：三 中北大学学位论文 1 1 引言 1 文献综述 气液反应在工业上常见者就不下几十种，诸如c 0 2 、s 0 2 、h 2 s 、c s 2 等气体的化学 吸收；烃类液相氧化制乙醛、醋酸、草酸、甲乙酮、丙酮、环己醇等；液相氯化n - ：氯 乙烷、二氯丙烷、四氯乙烷；硝酸和硫酸的生产；丁烯的分离和异丁醇的生产、生物发 酵等，遍及于化学、生化、制药等许多工业领域。在这些气液反应过程中，往往气相在 液相中的传质制约着整个反应的过程。随着现代化学工业生产规模的不断扩大，传统气 液传质设备的体积，为满足发展，也越来越大，设备投资费用、操作费用及设备的维修 费用不断攀升，已大大限制了经济效益的提高。因此，改善气液分散状况，强化气液传 质就成为提高设备生产能力的关键，这方面的研究已引起各国学者的普遍关注。 科学工作者【l 】不断地追求相间传质过程的强化，经过多年的努力，无论是改进传统 塔设备还是开发新型反应器，都取得了较大的成果。总的来说，科学工作者主要是通过 改变液体状况和改变气体状况这两个方面，来增大气液问的有效比表面积，增大气液间 的湍动程度，增大气相体积传质系数k a a 或液相体积传质系数k l a ，从而强化传质过程。 气液接触器利用气体分布器将气体扩散成气泡属于改变气体状况的情况，常规的气 体分布器，孔径较大，形成的气泡大，分散性能差，传质效果也不好，并且孔径大小对 效果的影响不明显，已经大大限制了这方面技术的发展。而微孔气液接触器利用微孔气 体分布器将气体扩散成微小气泡，较大提高了气液接触面积，提高传质效率。 1 2 微孑l 气液接触器的应用研究进展 1 2 1 微子l 气液接触器的简介 气体在一定压力的驱动下，通过微孔气液接触器的气体分布器扩散成微小气泡汇入 液体，进行混合和传质。图1 1 为示意简图。国外的研究文献并没对微孔介质进行严格 定义划分，原因是对通过这种多孔介质形成的气泡进行准确描述和定义比较困难。根据 中北大学学位论文 中国工程标准化协会标准c e c s 9 7 ：9 7 ，气体通过多孔介质在液相中产生直径大于3 m m 气泡的气体扩散装置称为中大孔扩散器；在液相中产生直径小于3 m m 气泡的高效气体 扩散装置称为微孔扩散器。在此，微孔扩散器即为微孔气液接触器，其核心部件是微孔 介质，也叫微孔气体分布器。 微孔气体分布器广泛应用于鼓泡塔、板式塔、曝气器等气液传质设备中，这些传质 设备都可称为微孔气液接触器。微孔气体分布器根据结构可以分为管式、板式和盘式分 布器；根据材料又可以分为陶瓷、橡胶膜片、聚乙烯和金属分布器。通过微孔气体分布 器产生的气泡直径大约l m m ，甚至几十微米，这大大增加了气液接触面积，从附录1 可以看出，微孔气体分布器产生气泡的比表面积( t i 6 m m 。1 ) 比一般分布器的比表面积 ( 仅 o 6 m m 以) 大得多，使传质过程得到极大强化。 3 建子、黑；誊氏? 甾琶骘琶兰拦当 fff 液面 液相 微孔膜气体分布 气相 图1 1 微孔气体分布器生成气泡示意图 1 2 2 微子l 气液接触器制备纳米碳酸钙 间隙鼓泡法制备纳米碳酸钙是国内外工业上较为常用的一种方法，广东省广平化工 实业有限公司利用间歇鼓泡法【2 】生产的“自燕华”牌超细活性碳酸钙产品在国内享有盛 誉。间隙鼓泡法所用的气体分布器孔径较大，为1 0 m m 左右，其中c 0 2 的利用率较低， 只有3 0 ，由此能耗相应增大。 清华大学吴国华等【3 1 在实验室使用微孔气液接触器实现气体微扩散，加强了气一液 体系的混合和传质，成功制备出纳米碳酸钙。该气体分布器的平均孔径约为1 0 1 上m ( 产 生的气泡小于3 m m ) 。所制得的超细颗粒外观为立方型，晶型为方解石型，平均粒径约 为4 0 n m ，分布较窄，而且分散性能好。与间歇鼓泡法的c 0 2 利用率只有3 0 相比，这 种方法的c 0 2 的利用率可达5 0 - 6 0 。相同条件下，合成o 5 m o l 碳酸钙，普通鼓泡 法需要1 8 0 m i n ，而微孔扩散法仅仅需要1 0 0 m i n ，大约节省了4 0 的时间。利用微孔气 2 中北大学学位论文 体分布器，操作方便，简单可靠，c 0 2 利用率高，利于放大，在工业上有广阔的应用前 景。 1 2 3 微子l 介质塔板 蒸馏、吸收、解吸、气提、萃取等化工单元操作，大多是在塔设备内进行的。塔设 备主要是板式塔和填料塔，板式塔结构较为简单，易于放大，造价较低；但板式塔普遍 存在效率较低、压力较高、持液量大等缺点。7 0 年代以前，板式塔的开发和应用均处于 优势；7 0 年代，金属孔板波纹规整填料的丌发应用，使填料和塔板处于平行发展阶段； 8 0 年代以后，随着各种新型波纹填料和塔内件的开发成功，适应了大型塔器节省能耗、 提高效率的要求，使填料塔发展达到高峰，而板式塔发展相对滞后，进入9 0 年代以后， 科学工作者【4 5 】以新的兴趣寻求板式塔的突破。然而，目前塔板研究主要集中在大通量 上，如筛板塔的筛孔直径达2 5 m m 以上，对微孔塔板的研究少之又少。 天津大学的周海鹰等【6 】，开发出一种新型微孔介质塔板一泡沫镍塔板( 即微孔气体 分布器) ，泡沫镍塔板的分布孔为微孔，孔径约1 0 0 1 t m ，能将气相分散成更细小的气泡 ( 气泡小于3 m m ) ，气液接触很均匀，并且极大地强化了传质。在实验室以空气一水为 体系测定了其流体力学性能指标一塔板压降等，用二氧化碳解吸实验测定了塔板效率。 与常规使用的浮阀塔板相比，相同条件下板效率高出2 0 ；压降相比其它塔板较大，但 阻力大也是保证良好传质的条件。泡沫镍塔板没有漏液，可降低下限气速。泡沫镍塔板 传质效率很高，可应用于某些对压降要求不严格的场合( 如较高压力下的精馏过程) ， 将有很好的前景。 1 2 4 微孑l 气液接触器在气浮工艺中的应用 气浮技术被广泛应用于水的净化、城市生活污水和工业废水的处理、选矿工业等领 域。溶气析出气泡技术是气浮工艺中较为常用【7 8 1 的方法，其制造的微气泡直径在2 0 - - 1 2 0 9 m ，大小均匀，能满足气浮的要求，但流程复杂，停留时间较长，操作麻烦。 四川大学的徐振华等【9 1 ，以金属微孔气体分布器为核心的微孔气液接触器将气体扩 散成微小气泡，并作了一些气浮的研究。实验结果表明，产生的微气泡直径在2 0 - - 7 0 1 t m 3 中北大学学位论文 之间变化，数密度在0 5 3 x 1 0 3 1 0 1 x 1 0 3 个m m 3 之间。与常规的溶气气浮法相比，节省 了溶气罐；此法在压力为0 1 m p a 时即可形成较好的微气泡，而常规的溶气气浮法在压 力为0 3 m p a 时才能形成较好的气泡。同时，用此种方法进行气浮效果测试，其产生的 气泡能很好的满足气浮工艺的要求，这种技术设备简单、能耗低、经济合理，具有良好 的工业应用价值。 1 2 5 臭氧通过微孔气液接触器鼓泡 臭氧氧化技术具有反应速度快、脱色效果好、处理水溶性高分子等难生物降解物质、 以及可杀菌除臭等优点使臭氧得到了广泛的应用【1 0 ，1 1 1 。臭氧在水中的溶解度比氧气大 1 3 倍，比空气大2 5 倍。但是，空气或氧气中制取的臭氧只占气体的2 - - - 4 ( 质量分 数) ，因而能溶解于水的臭氧浓度大约为几毫克每升。使用合适的臭氧接触反应装置是 非常重要的。 利用臭氧通过微孔气体分布器鼓泡是较为常用的一种方法，在美国4 0 座饮用水臭 氧处理厂中，有3 4 座采用了鼓泡扩散接触池气液接触器，其核心即为微孔气体分 布器。在欧洲，这种鼓泡扩散设备的应用同样居于主导地位【l2 1 。扩散元件( 气体分布器) 一般是微孔陶瓷管。多级接触池( 见图1 2 ) 将孔径大小为5 0 1 0 0 i t m 的分布器安装在 水深4 - - - - 6 m 的池底上，产生的气泡直径约2 m m 左右。 一f i f 一 ， ，7 、 u死 【1 ： 、 、 r ， 图1 。2 装有多孔分布器的多级气液接触器 1 2 6 微孑l 气液接触器在曝气中的应用 微孔气液接触器最早应用于水处理行业中的曝气工艺中，又称为微孔曝气器。微孔 曝气器遍布于水处理厂，并为水处理行业作出了巨大的贡献。微孔曝气器的核心是微孔 4 中北大学学位论文 气体分布器，其作用是将空气扩散成气泡，使气泡中的氧溶解到混合液中，向微生物生 化反应提供所需要的溶解氧，同时保证污水的充分混合，使活性污泥处于悬浮状态，通 过泥、水、气三相的充分接触，保证活性污泥充分利用水中的溶解氧来分解有机污染物 和含n 、p 的营养物。 早在八十年代初，世界上污水处理曝气设备总装机容量就超过了3 0 0 万千瓦，年运 转费用1 5 亿美元以上。这些设备中绝大部分是能耗较低的微孔曝气系统，微孔曝气系 统核心也是微孔气体分布器。微孔曝气，也称细气泡曝气，1 9 1 5 年最早出现于英国，三、 四十年代在北美及欧洲普遍得到采用。由于当时技术较为缺乏，并且系统维护工作量大， 而战后劳动力缺乏，五十年代为大气池曝气和表曝设备所代替。但随之出现的问题是能 耗增加。七十年代，阿拉伯石油禁运导致了全球性能源危机，电费大涨，迫使人们不得 不将表曝或大气池曝气设备重新改造成低能耗的微孔曝气系统。如今，国外大部分用的 还是微孔曝气系统，而国内吸收了芬兰、德国等国的技术后自主开发了几种微孔曝气器， 比大中型气泡型曝气器节能5 0 t 1 3 】。美国1 9 9 0 年底开发试验了一种新型纯氧曝气器 无气泡纯氧曝气器，微孔平均孔径约为o 1 l , t m ，细小的纤维和微小的膜孔，意味着气液 接触具有巨大的传质面积。同时，由于曝气器工作时不产生气泡，所提供的氧1 0 0 地 溶入水中，无任何浪费。与传统气泡曝气器不同，膜曝气器不会将气体传入空中。该曝 气器可有效地使水中氧达到过饱和状态【1 4 1 。随着微孔曝气器技术的不断完善改进，也大 大增加了污水处理率。 1 3 微孑l 气液接触器形成的气泡 1 3 1 气体分布器形成气泡的研究概况 气体分布器是气体进入气液接触器的第一个装置，也是气液接触器的核心部件，其 孔口是气泡形成的场所，是决定气泡大小的重要因素之一，气泡是决定液体流动行为和 气液传递特性的最基本元素，其分散状况直接决定了微孔气体分布器的气一液接触面积， 是传质设备设计的最重要参数之一，所形成的气泡直径越小，数密度越大，则有效气液 接触面积就越大，且传质性能越高。迄今为止，以对单孔成泡形式的研究最多，单孔研 究较为简单，并且也具有代表性。无论是孔径的大小如何，其气泡的形成过程是一致的。 5 中北大学学位论文 应用高速摄像观察孔口气泡形成的过程，发现这一过程极为复杂，所以至今对气泡形成 的机理没有统一的认谢1 5 j 。 b a s h f o r t h 和a d a m s 等人【1 6 】于1 8 8 3 年研究了单个气泡的形成，发表了关于单个气泡 形成的研究论文，是最早从事气泡研究的。1 9 5 0 年，v e r s c h o o r 和s c h u i t i l 6 测量了通过 玻璃纤维滤板产生一群气泡时气体的停滞时间和气泡的速度。实验过程中通过变换气体 的流速，用不同的液体来进行实验，但是没有报道滤板的渗透性和产生气泡的大小。1 9 6 0 年，d a v i d s o n 和s c h u l e d l 6 】提出了浸没在粘滞性和非粘滞性液体中的孔口处单个气泡形 成的精确动力学模型。1 9 7 0 年，b a x t e r 和w r a i t h 1 7 】观察了改变气体流速时，在多孔盘上 气泡形成时的一些变化。给出了气体通过干燥多孔盘时的渗透性和压力降，但没有报道 气泡的大小。b o w o n d e r 和k u m a r 1 8 】研究了多孔盘上气泡形成的一些模型，但它们在实 验中并未测得气泡直径。1 9 7 1 年，w r a i t h 1 1 7 】考察了在高气速情况下气泡形成的过程。在 高气速下，最主要的现象是气泡来不及上升脱离便在孑l 1 3 附近发生一级气泡( p r i m a r y b u b b l e ) 和后续产生气泡的聚并，造成在高气速下，孔口生成大气泡。1 9 9 1 年，g e a r y 和r i c e 1 9 j 研究了气体分布器上生成气泡的大小，并建立了相应的模型。1 9 9 3 年，m a r s h a l l 等【2 0 】研究了液体的剪切流对孔口处气泡形成的影响。一致得到如下结论：剪切流速度能 增加气泡形成的频率，使气泡的体积也相应减少。并报道了在研究剪切流对液面下孔口 处形成气泡的影响时看到的一些现象，当剪切流速度到达临界值时，由问歇形成气泡变 成连续形成气泡，而且即使在很低的气速和大的孔处也看不到液体从孔处渗下。李琳等 【2 l 】用激光测试技术对微孔介质上气泡形成规律进行了研究，并对以前提出的气泡形成模 型进行了比较。1 9 9 4 年，s e f o r r e s t e r 和c d r i e l l y 2 2 】研究了强剪切流对液面下孔口处 气泡形成的影响。在恒定气速下，随着剪切流速度的增大，形成气泡的直径减小；在恒 定的液体流速下，随着气速的增大，在孔口处形成气泡的直径随着气速线性增大。2 0 0 1 年，z h a n g 和s h o j i 2 3 1 考察了在单孔低气速情况下气泡的形成过程，并发现在单孔低气速 情况下，气泡的形成是一个不定期( a p e r i o d i c ) 的过程。2 0 0 3 年，w e n x i n gz h a n g ， r b h t a n 2 4 j 提出了一个新的理论模型去预测剪切流下液面下孔口处气泡生成频率和液 体下流速度。在不同的孔径、气体流速和液体的剪切流速下假定的下流速度和实验数据 达到很好的一致性。2 0 0 5 年，梁斌等【2 5 1 考察了低气速操作下，气泡在离开喷孔后主要 发生的破碎行为，聚并所起的作用可以忽略。在不考虑气泡聚并作用的情况下，建立的 6 中北大学学位论文 气泡粒度分布模型模拟结果与实验测定的结果吻合很好。2 0 0 6 年，徐振华等利用金 属微孔管气体制造微气泡作为气浮工艺的气泡直接切割产生方式，取代常规的空气饱和 系统。通过对该气泡制造工艺中气泡性质进行全面系统的测试研究，对金属微孔管直接 切割气体制造微气泡的气泡产生方式做出全面科学的评价。 1 3 2 微孔孑l 口气泡的形成 一般说来，随着气速的增高，孔口气流依次经历单气泡、单次聚并、多次聚并、气 泡链，问歇喷射流、喷射流等流域【2 6 1 。无论是在高孔口气速还是在低孔口气速下，气泡 的形成通常都被认为包括“膨胀”和“脱离两个阶段，在第一阶段，气泡膨胀，其底 部保持与孑l 口接触，在第二阶段，气泡底部从孔口向上移动，并以细颈与孔口接触，最 终形成气泡，其运动状态是由其所受力：表面张力、浮力、曳力、附加惯性力相互平衡 的结果，关于气泡形成机理的模型大多在“膨胀一脱离”二阶段假设下，由气泡的受力 分析进行推导。 作用于气泡主要有以下四种力【2 7 】： ( 1 ) 浮力 浮力是由气、液相问的密度差引起的 = v ( p t - p g 培 ( 1 1 ) ( 2 ) 表面张力 c = 砜盯 ( 3 ) 粘性力 ( 1 2 ) 粘性力是连续相相对于气泡的阻力。假设液体绕生长着的气泡流动并不发生分离现 象。作为近似计算，可应用斯托克斯阻力公式，即 = 6 k p 三吃砧。 ( 1 3 ) ( 4 ) 惯性力 当出流气体流量一定时， 7 引起动量改变。惯性力为： ( 1 4 ) 中北大学学位论文 式中，m 是气泡的表观质量，等于气体的质量与包围气泡的液体的体积( 相当于气 泡体积的1 1 1 6 ) 的质量之和，即 m = ( & + 等仇) q ，。 ( 1 5 ) 式中：t e 膨胀阶段的特征时间。因为p l & ，p g 可以忽略，则 m = 兰见9 。 ( 1 6 ) 1 6 “。 低气速情况下孔口形成气泡的直径可以采用王a k r i s h l l a n 旧的研究结果来计算。为 简化，在实际应用中将低气速情况下气泡的形成考虑为其所受浮力和表面张力平衡的结 果【2 8 】。此时( 低气速情况) ，气泡直径的计算公式为： 式( 1 7 ) 中：d 生成气泡的直径，m ； 九微孔气体分布器平均孔径，m ； 仃液体表面张力，n m ； 肛液体密度，k g m 3 ； 以气体密度，k g m 3 。 ( 1 7 ) 高气速下孔口形成的气泡可以认为是其所受的惯性附加力和浮力平衡的结果，其直 径可以采用a n a g b o l 2 9 1 提出的椭球模型来计算： 例7 谢q 8 ， 式( 1 8 ) 中：乃_ 孑1 口产生气泡的体积，m 3 ； 孔口半径，m ； q 通过孔i = 1 的气体流量，m 3 s 一。 8 旨尚 中北大学学位论文 1 3 3 气泡上升运动速率 气垲在水阳上升辽程甲，党力j 思结为王妥党剑阻f j ( 阻刀为衣凹张刀、袖任刀、 惯性力的合力) 和浮力，且认为气泡为球形颗粒。则直径为d 的气泡在水中受到的浮力 与阻力分别为【3 0 】： z = 詈d 3 9 b b ) ( 1 9 ) 以= c d r l u z 27 4 ( _ d 2 ( 1 1 0 ) 其中，c 。= 万2 4 厂1 + 0 - 1 9 3 5 妒。5 ， 式( 1 1 0 ) 中：c d 阻力系数，无量纲； 材气泡上升运动速率，m s 。 气泡所受到的浮力与阻力使气泡产生加速度为掣的上升运动，并得出气泡在上升 d ， 的运动微分方程如下： 詈d 3 攻詈= 弘3 9 ，吧- c 。p l 了1 , 1 2 百“3 ( 1 气泡上升的过程中，随速度的增加阻力不断增加，认为其在短暂时间后达到与浮力 的平衡，加速度掣变为零，整理后即可得到一般意义上的平均上升速度： d t 1 3 4 气泡的聚并和破碎 1 3 4 1 气泡的聚并过程 ( 1 1 2 ) c h a u d h a r i 3 1 1 等人对气泡的聚并过程和速度计算方法进行了详尽的综述。气泡的聚并 过程通常认为由三个阶段组成： 9 中北大学学位论文 ( 1 ) 两气泡的相互接近，形成一准平衡液膜( aq u a s ie q u i l i b r i u mf i l m ) ，这个过程 受液相主体控制，但体系的能量耗散率有重要影响。 ( 2 ) 受重力及毛细引力的作用，该液膜被排挤释放。该过程亦受体系性质如表面 张力和粘度的影响。影响膜排放速度主要有三种力：范德华引力( v a n d e rw a a l s a t t r a c t i o n ) 、边界引力( b o r d e rs u c t i o n ) 和双电层的静电斥力( e l e c t r o s t a t i c d o u b l el a y e r r e p u l s i v ef o r c e ) 。 ( 3 ) 当膜被排放至一临界厚度，膜破裂，两气泡发生聚并。从气泡发生碰撞形成 液膜开始到气泡由碰撞成为聚并所需的时间称之为聚并时间( c o a l e s c e n c et i m e ) ，通常 用于计算气泡的碰撞效率，因为如果气泡接触的时间不够长，则气泡间的液膜不能因被 排放至临界膜厚而发生聚并。 三个步骤中，认为液膜的形成和断裂是瞬时的，因而液膜的排放是整个聚并过程的 速度控制步骤。p r i n c e 3 2 1 在前人的基础上，不仅提出了气泡聚并速度的计算公式，还采 用m o n t c a r l o 模拟技术，设计了相应的实验对提出的公式进行了验证，其模型预测和实 验吻合良好。 1 3 4 2 气泡的破碎过程 气泡的破碎被认为是气泡受到了液相中旋涡轰击的结果【3 3 1 ，对于不能在液相中稳定 存在的气泡，当受到旋涡的轰击后，受其剪切等作用，发生变形，直至断裂破碎。 h e s k e t h t 3 4 】用摄像的方法观察了气泡的破碎行为，并将实验结果和在几种子气泡分 布假设( 等体积破碎、随机破碎、1 仅破碎、磨损破碎( a t t r i t i o nb r e a k a g e ) ) 下的破碎速 度模型的计算结果进行了比较，发现气泡的破碎行为显然不是等体积的或随机的，越小 体积比的破碎行为越占优的假设更接近于实际情况，g n o t k e f 3 5 】根据更准确的光纤探针测 量给出同样结论，即使如此，h e s k e t h 和g n o t k e 也未能给出更准确的气泡破碎速度方程。 l u o t 3 3 】( 1 9 9 6 ) 根据气泡破碎需要的能量提出了新的气泡破碎模型，在此模型中，各种 程度的气泡破碎行为依据其所需要的能量占有不同的比例，并且其模型中没有需要经验 确定的参数。l u o 将其模型计算结果与h e s k e t h 的破碎数据进行了对比，其吻合程度显 著提高。 1 0 中北大学学位论文 1 3 4 3 气泡生存所满足的条件 对于一个已成形的气泡来说，要使这个气泡继续存在下去，应使气相与液相达到平 衡，由热力学与力学分析可知，必须满足以下三个条件【2 7 】： ( 1 ) 温度平衡表示两相及气液界面上的温度相等并均匀一致； ( 2 ) 力学平衡表示在气泡界面上各作用力达到平衡； ( 3 ) 相平衡表示气液两相的化学势要相等。 1 4 气液接触器传质研究概况 目前，气体分布器主要安装在鼓泡反应器及曝气器等气液接触器中，有关气液接触 器的传质研究主要有两个方面：气液相间传质机理的理论和传质系数的经验公式的研 究。 1 4 1 气液相间传质机理的理论 用来解释气液接触器的气液相间传质机理的理论，主要有l e w i s 和w h i t m a n 提出的 双膜理论f 3 6 】，h i g b i e 提出的渗透理论f 3 6 】和d a n c k w e r t s 提出的表面更新理论1 3 6 ，在此基 础上，结合湍流理论又发展了膜渗透模型【3 7 1 、旋涡扩散模型3 8 1 等机理模型。l o c h i e l 等 【3 9 j 根据近界面的流场性质结合对流扩散方程进行求解，得到近界面的浓度分布，最后得 到传质系数。目前的研究主要集中在几个传质模型理论的完善方面。一些学者以表面更 新理论为基础，考虑了表面膜和膜中扩散的不稳定性，提出了一个修证的表面膜更新模 型，并拟定了一个用化学法测定相际面积和表面膜更新频率的方法，用该模型获得的传 质系数比d a n c k w e r t s 的模型获得的理论值更接近实际。在国内，燕山大学的盛义平1 4 0 1 提出了气泡传质问题的新的数学模型，所得到的传质系数与实验关联式基本一致，天津 大学的马友光，余国琮【4 1 1 ，建立了多组分气液相际传质的数学模型。但由于气泡传质问 题本身的复杂性和各个传质理论均是针对某些传质问题提出的，用这些理论研究气泡的 传质问题所得的结论尚不能很好的反应气泡的传质的特性，所以，对气泡传质的研究要 具体问题具体分析。 中北大学学位论文 1 4 2 传质系数的经验关联式研究 基于实验数据和传质理论所得到的经验和半经验模型由于与实际结合得比较紧密， 也受到了人们广泛重视。尽管由于反应体系和操作条件的不同，使得这些经验和半经验 关联式在实际应用中受到了一定的限制，但经验和半经验关联式对于传质设备的设计和 应用起着重要的指导作用。目前，应用比较广泛的关联式如表1 1 。 表1 1 计算k l a 经验关联式 作者关联式 o z t u r ka n ds c h u m p e 4 3 1 杨卫国等1 4 5 1 v o r v i ke ta l t 4 6 1 k a w a s ee ta l l 4 7 】 a k i ma n dy o s h i d a l 4 8 i k 。口= 3 0 9 x1 0 。7 【( 1 一c 矿0 6 0 ) p , 1 5 0 1 6 x l o 。 d p 0 2 3 x 1 0 一，0 c v 0 4 0 8 x l o 。2 u g 3 x 1 0 2 m s 0 0 01 0 ，y 2 0 0 ，c = c 爿g ( 2 5 ) 式中：c 氧气在水中的浓度，m o l l ； d 氧气在水中的扩散系数，m z s ； f 时间，s ； y 传质的方向，其余符号同前。 求解式( 2 5 ) ，可得传质的瞬时通量： o = 摆也，一g ) ( 2 6 ) 在两相短暂接触时间f ，内的平均传质通量为： 瓦= 丢哐g a i - - c a g 归层( c a i c a g ) ( 2 7 ) 渗透模型描述了传质系数与扩散系数的0 5 次幂成正比的正确关系，比较符合实际。 但引进的模型参数r ，。仍无法定量获得。这一理论虽然引进了不稳定传质，但却认为微 1 7 中北大学学位论文 元的寿命是同样的，这样就仍然未能摆脱滞流膜的假设条件，从而具有一定的局限性。 2 3 表面更新理论 d a n c k w e r t s 3 6 】的表面更新理论认为，液体湍动将由内部连续不断地携带新的液体旋 涡到相界面上来，并取代先前的液体微元在相界面上的位置。液体微元一旦达到界面， 它对气相来说，就变成了暴露状态。这样，即使液体是滞止和无限深的，质量也会传递 到液体中去，传递速率取决于暴露时间。对于表面更新，可以有不同的假设。如果界面 上的每一个液体微元在它被置换之前都有相同的暴露时间t ，这便是h i g b i e 的渗透理 论，在暴露时间f 。内的平均传质通量。，即为式( 2 7 ) 所示。d a n c k w e r t s 对于处在相 界面上的液体微元提出了暴露时间可以不同的概念，为了说明界面液体微元被新旋涡取 代的概率，引入了表面液体微元的时间分布函数，对于随机的界面更新，其传质通量为： n o = 4 d s ( c 爿广c 月g ) ( 2 8 ) 这一关系式同样适用于气相，只需气相传质系数与分子扩散系数作相应的变换即 可。尽管表面更新率s 仍然是一个不可得的量，但丹克沃茨的假设更接近于实际，离正 确的反应机理更近，它十分接近传质的一般表达式。 当所有的表面更新率j 的值相同时，即各微元在界面上的接触时间( 寿命) 相等， 此时的表面更新论就是渗透论。当接触时间趋于无穷时，彼此停留的时间都将一样，且 到达建立稳定的分子扩散所需的时间