（化学工程专业论文）整体式多通道内气液分布研究.pdf

摘要 基于整体催化剂的整体式反应器具有非常广阔的市场前景，整体式多通道是 整体式反应器的主要构成部分。气液分布不均是整体式多通道的一个重要的流体 力学现象，主要表现为表观速率、气相含率等参数在整体式多通道径向、角向的 不均匀分布。气液分布不均的影响因素包括进口气液流量、多通道布置和气液分 布器等。 课题采用堇青石材质多通道进行了气液分布实验。主要考虑了实验装置进口 处气液( 空气和水) 流量对多通道流体力学参数的影响，同时分析这些参数在多 通道截面的径向、角向上的分布规律。 课题重点在于多通道中t a y l o r 流数据的采集与分析。实验中采用c c d 高速 相机拍摄孔道中流出的t a y l o r 气泡，以此获得数据。和常规方法相比，使用c c d 拍摄图像的方法不会影响整体式多通道内部原有流体流动状态，从而可使得到的 数据更加接近于实际值。 关键词：整体式反应器多通道t a y l o r 流分布不均 a bs t r a c t t b em o n o l i t hr e a c t o ri so n eo ft h ep r o m i s i n gc a t a l y t i cr e a c t o r sf o ran u m b e ro f c h e m i c a im u l t i - p h a s ep r o c e s s e s a n dt h em o n o l i 也m u l t i - c h a n n e li st h ec o r eo ft h e m o n o l i t hb e d n o n - u n i f o r mf l o wd i s t r i b u t i o ni sa ni m p o r t a n th y d r o d y n a m i cf a c t o ro f t h em u l t i c h a n n e l i ti sm a i n l ym a n i f e s t e db yt h em a l d i s t r i b u t i o no fa p p a r e n ts p e e d ， v o i df r a c t i o n , e t c i n f l u e n c ef a c t o ro fg a s l i q u i dm a l d i s t r i b u t i o ne m b r a c ei n p u t g a s l i q u i dv o l u m ev e l o c i t y , p o s i t i o no f t h ec h a n n e la n dt h eg a s - l i q u i dd i s t r i b u t o r i nt h ep r e s e n tw o r k ，c o r d i e r i t ec e r a m i ch o n e yc o m bw a su s e dt oc o n d u c tt h e e x p e r i m e n t i tm a i n l yc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo ft h eg a s ( a t r ) a n dl i q u i d ( w a t e r ) v e l o c i t yt oh y d r o d y n a m i c m e a n w h i l e ，r u l e so fd i s t r i b u t i o no nr a d i a la n da n g u l a r o r i e n t a t i o nw e r ea l s oa n a l y s i s e d t h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s so ft h ew o r ki sh o wt oo b t a i nt h ep a r a m e t e r so f t a y l o rf l o wi nt h ec h a n n e l i np r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s a o sx - p i uh i g hs p e e d c a m e r ah a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p l i e dt om e a s u r et h es i z eo ft a y l o rb u b b l eo v e rt h e m o n o l i t hc r o s s s e c t i o ni nas e l e c t e d c o n d i t i o n i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec c di sa v i a b l et e c h n i q u ef o rs t u d y i n gt w o p h a s ef l o wi nm o n o l i t hm u l t i c h a n n e l ，a n di tw i l l n o ti n t e r f e r et h eo r i g i nf l o wi nt h ec h a n n e l k e y w o r d s ：m o n o l i t h ，m u l t i c h a n n e l ，t a y l o rf l o w , m a l d i s t r i b u t i o n 前言 整体式多通道是整体式反应器的主要构成部分，被广泛地用于各种气液固多 相催化反应过程。与传统多相反应器相比，整体式反应器具有床层压降小、浓度 梯度小及改善传质和传热等优点，其应用还能强化化工过程，有助于形成低能耗、 零排放的新催化工艺过程。 气液分布不均是整体式多通道的一个重要的流体力学现象，主要表现为液速、 气相含率等参数在整体式多通道径向、角向上的不均匀分布。气液分布不均的影 响因素包括进口的气液表观速率、多通道布置、气液分布器等，本课题主要考虑 了进口处气液流量的影响。 气液分布不均的测量方法是研究气液分布不均现象过程中非常关键的部分， 本课题采用了对多通道气液流场没有影响、易于建立和观测的高速相机拍摄法。 天津大学硕士学位论文符号表 希腊字母 芦 ， 符号表 通道截面积，m 2 直径，m i l l 帧数，无因次 分布因子，无因次 长度像素比，无因次 长度，m 像素数，个 孔道在多通道截面所在位置的半径，m 多通道截面半径，1 1 1 流量，m l s 表观速率，m s 体积m 3 单个t a y l o r 周期的气相含率 平均气相含率 t a y l o r 气泡 单通道 t a y l o r 液柱 气体 液体 t a y l o r 单元 彳 d 厂 f k * r r q u 矿 标批 g 砩姗c她g l 叼 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：马粤立签字日期：叩? 年 6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：马浓寰 签字日期：2 叩( 7 年 月2 日 导师签名：落国王译 签字日期：呷年 月乙日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 整体式反应器简介 第一章文献综述 传统固定床和浆态床等多相反应器在化工生产中应用广泛，但面临不容忽视 的问题与挑战，例如，固定床反应器存在着床层阻力大，传质效率较低，反应 选择性不高及流体分布不均匀等缺点；而催化剂的过滤分离，机械搅拌导致的催 化剂磨损和高能耗是浆态床反应器存在的主要问题【l 】。 基于整体催化剂的整体式反应器在气液固三相催化过程中的应用可克服传 统多相反应器的某些问剧2 1 ，如：( 1 ) 催化剂床层压降较固定床反应器低2 - - - 3 个 数量级；( 2 ) 催化剂活性组分固定于孔壁上，消除了浆态床反应器催化剂过滤与 维持催化剂悬浮而要求的搅拌及其带来的密封困难等相关问题；( 3 ) 反应通道彼 此隔绝，降低了飞温的可能，提高了操作的安全性。整体式反应器这种高效、安 全、节能和环保的特点，符合2 1 世纪绿色化工发展的要求。但目前对整体催 化剂的应用多限于气固相催化过程，如汽车尾气处理和催化燃烧等【3 】。相比于 传统反应器，整体式反应器传质效率高、反应选择性好、放大效应小、生产强度 大，对气液固三相催化过程具有显著的强化作用【1 ，描】。目前，规模达2 0 0 k t a 的 葸醌加氢生产过氧化氢已实现工业化，与浆态床反应器相比，避免了催化剂的过 滤，优势十分明显【7 】。催化加氢、催化氧化、生物化工过程已成为整体催化剂在 气液固相催化过程中的三大潜在应用领域【2 】。 整体式反应器的强化作用与气液流体在催化剂孔道内特殊的流体力学和传 质特性等有着密切的关系【8 】。首先，流体在整体催化剂内常处于t a y l o r 流区流动 【9 】，此时气液两相在催化剂微细孔道内形成交替运动的气泡和液柱，气泡与孔道 壁间的薄液膜极大地抑制了反应孔道内的轴向返混。加之流动过程中液柱内部形 成环流，导致了良好的气液与液固传质效率( t a y l o r 流时的液固传质速率可高出 单液相流约一个数量级) ，k a p t e i j n 等甚至提出在液固相催化过程中加入惰性气 体形成t a y l o r 流以提高传质速率d o ；其次，反应孔道内催化剂活性层薄，内扩 散阻力小，特别适合于扩散控制的反应过程【l l 】：第三，相同反应体积下，整体式 反应器中催化剂活性组分负载量可接近固定床反应器，保证了整体式反应器具有 较大的生产强剧1 2 】。与此同时，整体催化剂应用于气固相催化反应时，轴向温升 无律大学硕士学位论文 第一章文献综述 大，其应用多限于选择性要求不高的废气处理等领域，而在化工产品生产中受到 极大限制。应用于气液同三相催化反应时，液体可采用循环操作，且液体热容远 大于气体热容，流体在反应孔道内温升较小，温度易于控制，因而远较气同相催 化反应应用前景广阔。 1 2 整体式多通道 整体式反应器的核心组成部分是整体式催化剂。整体式催化剂，顾名思义， 一个反应器中儿有一块催化剂( m o n o l i t h ) 。整体式多通道是整体催化荆的载体。 早期的整体式多通道通常加工成直的或弯曲的平行规则通道常是蜂窝状的烧结 氧化物，因此叫蜂窝陶瓷。 1 2 1 整体式多通道的材质 常用的多通道具有均一的平行孔道开孔数达2 0 0 - 4 0 0 i l i n 2 。它的直通 道内存在有限的径向混合，而相邻通道之问般无任何传质作用，催化剂的活性 组分负载在通道的壁上i l ”。幽i - 1 给出了常用蜂窝陶瓷载体的类型【】这出载 体可以使用特定的材料压制成型( 一般采用堇青石为原料) ，然后附着上催化剂 粒子( 比如沸石) 或者最终产物的前体( 比如炭整体催化剂的聚台物) ，整体式 催化剂可以有各种孔道设训，这取决于反应的要求、加工成本、操作费用的综合 权衡，如特定条件下可以用泡沫状载体和纤维编织形状的载体。 s “n m l 5 用1 j 吾种形状的蜂窝陶瓷载体 堇青石材质矩形通道3 5 6 ) ，内部带翅片的通道2 ) 盒属材质的多通道 f i g 1 - 1m o n o l i t n cs t r l a g t t l f e $ o f v a r i o u ss h 目v e s q u a r ec h a t m e lc o r d i e r i t es m l s ( 13 ，5 ，6 ) i “t c m a l t y f i n n e dc h a n n e t s ( 2 1 、w a s h c o a t e a s t e e r m o l l ( 哪 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 平行直通道的蜂窝状多通道的几何特点由通道的形状、大小和间壁的厚度决 定。这些因素决定催化剂的容重、孔隙率、总表面积和动力学直径等。它的几何 面积则可以由这3 个参数直接计算得n t “ 。 常用的整体式多通道材料有再种陶瓷、金属及其合金。在陶瓷材料中，堇青 石( 2 m g o 2 a i ：o ，5 s i o ：) 是使用最多的一种，如在汽车尾气净化转化器中，大多 数使用由这种材料制成的多通道【1 ”。这种整体式多通道基本役有孔隙，因此没有 气体的径向反混和扩散，没有气流的径向传热。陶瓷孔壁的径向热传导系数较小， 反应器接近绝热操作，有利于加快反应。但是不适于反应热较太的反应，同时陶 瓷材质的整体式多通道有着较高的体积比和生产成本限制了它的进一步应用。 恻1 - 2 金属材质多通道 f i g 1 2 m e t a l l i c m u l t i - c h 咖e l s 与陶瓷材质整体式多通道相比，金属材质的多通道具有更优良的导熟性、易 加工性、机械强度高等优点而显示出更具潜力的应用前景。金属材质多通道常用 不锈钢或含铝的铁桑体合金其中尤以耐高温的f e c r a i 合金使用最为广泛。金 属蜂窝载体的孔密度可达到1 0 0 0 - f l ；i a 2 以上，在相同体积时，其比蜂窝陶瓷多通 道的几何表面积太4 0 ，质量轻4 5 。晟常见的金属村质多通道i ”如图1 - 2 所 示。此外，由于金属的易加工性，金属多通道的通道表面常被加工成如图i 一3 所示的结构形状咀增加流体阃的传质和传热。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 3金属载体的一些通道结构 f i g1 3c h a n n e ls t r u c t u r eo fs o m em e t a l l i cs u p p o r t s 1 2 2 整体式多通道的几何构造 整体式多通道是由一组竖直平行的单通道组成的，这些单通道由很薄的壁隔 开。单通道截面一般为矩形，但是也不乏三角形、六角形或者更复杂的形状。为 了增加表面积，有时会在孔道内壁加装翅片。此外，翅片还具有稳定气液两相流 的作用【1 5 - 1 8 。为了增强通道内部的扰动，产生了一些专利，内容涉及到拥有波纹 的通道以及可以在径向上连通的多通道。显然，这种构造的多通道和直通道的多 通道是不同的。目前尚无文献具体叙述类似结构的多通道。 单位面积上的孔数，即孔密度，一般在1 0 0 到1 2 0 0 孑l i 2 ( c p s i ) 。孔隙率一 般在o 5 到0 9 之间( o f a ) 。通道之间的壁厚在0 0 0 6 到0 0 5 c m 之间。整体式 多通道可以用两个参数来确定，即壁厚和孔密度。图1 4 为一个具有矩形孔截面 的多通道示意图，上面标注了多通道的几何参数 5 1 。 孔密度 1 玎= 音 ( 1 1 ) 孔隙率 蜊叫一t w ) 2 ：兰华( 1 - 2 ) 几何表面积 删：4 讹- t w ) ：4 生掣( 1 - 3 ) 天津大学硕士学位论文第章文献综述 水力直径 以叫丽o f a ) = 堕孚 ( 】4 ) 式( 1 - 1 ) 到式( 1 - 4 ) 中参数的古义：b 壁厚l 相邻两孔道中心的距离：r ， 倒角半径。 罔1 4 多通道中学通道截面 f i 9 1 4 c r o s s - s e c t l o no fas i n g l ec e i l 在整体式多通道中，各通道之间以壁面作为间隔，因此存径向上没有流体流 动。这相当于一个理想的t a y l o r 流反应器，反应器生产强度很高。 1 3 整体式多通道中的流体力学参数 整体式多通道的各单通道在尺寸上可归类到微通道的范畴，所以整体式多通 道内的流体力学研究也是微通道流体力学研究领域的一部分。从实验到建立模型 都有这一领域的研究。丈验方面，虽初是在单个圆形截面微通道申进行的，主要 是因为便于观察结果。在实验室环境下还进行过整体式多通道的实验( 直径为 1 - 5 c m ) 。这些研究人员发胜了半经验模型和详细的模拟数据。 整体式多通道流体力学的研究包括流型、两相流压降和持液量，这些参数和 气液表现速率、流体物理性质有直接关系， 1 3 1 两相流流型 到目前为止+ 通过各种观测技术已经可以在微通道中观测到多种流型。可观 察到的流犁有气泡流( b u b b l yf l o w ) ，团状流( c h u mf l o w ) ，弹状流( s l u gf l o w ) ， 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 弹状环状流( s l u g a n n u l a r f l o w ) 和环状流( a n n u l a r f l o w ) 1 1 ”。其中弹状流即下 文中常提到的t a y l o r 流。常见的流型如图l - 5 所示。 il s l u g 图1 - 5 微通道中两柏流流型 f i g1 5s k e t c ho f m i c r o g r a v i t y t w o - p h a s ef l o w ”g i m e s 晟初，研究者们主要是在换热器和棱工程领域研究微通道内的流体力学现象 1 ”- 2 4 。他们研究的目的是建立微通道内部流型的观测方法和寻找各流型之间转变 的临界条件，同时得到以气液表观速率为坐标轴的流犁区域图。 在最近的一些研究中，m i s h i m a 等人在微通道中进行了气液两相流的流体力 学实验。图1 _ 6 为m i s h i m a 在20 5 r a m 直径微通道流型实验中得到的流型区域图。 除此之外，他还对直径为10 5 ，31 2 和4 0 8 r a m 直径的微通道做了类似的实验研 究训。 在整体式多通道中，也存在类似的两相流流型，但是比较不易观察。因为整 体式多通道的制作材料不透明以及各通道水力半径很小，所以很难测定多通道十 的流体特性和流型变化。因此，发展了 些非常规的检测方法如梭磁菇振成像 ( m r ) ，可以检测到整体式多通道内部流型。m a n t l e 和g l a d d e n 等最近发表 了两篇使用i v l r l 方法研究整体式多通道流体力学的文章。表1 - i 为最近1 0 年内 关于微通道和整体式多通道的研究总结。 自_it-_b_日li目 誓 黼 雌愿 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 j 。厂 n 一 ：；i ! ， 耋伯o o o 8 渊y 一嘲届h 嗍 奄 j 曩 三1 0 - 1 鼻 u a j 2 1 0 2 1 0 ”11 0 0o 1 铲 s u p e r f i c i a lg a sv e t o c 孵l o 【m s l 图1 - 6 单通道中的流型区域图( d = - 2 0 5 r a m ) f i g 1 6f l o wr e g i m em a pi nas i n g l ec a p i l l a r y ( d = 2 0 5 m m l 表1 1 流型研究总结 t a b 1 - ls u m m a r yo ff l o wr e g i m es t u d i e s 研究人员研究对象介质及流速流型 m i s h i m 等 下向流 吒：0 0 1 0 9 1 朋占 气泡流，弹状流 早】匠垣团状况，外状况 u ，：0 0 9 8 0 m s r e i n e c k 等2 6 】 上向流 叱：u u 2 聊j 气泡流，弹状流， 整体式多通道 u 。：0 8 聊s松动流，环状流 下向流 正癸烷空气 k b e n s 掣1 司具有翅片的多通 u ：0 0 0 9 0 0 5 m s 环状流 道 u g ：0 - 5 m s u l ：0 o l 一0 1 4 m j m s 铲刀嚣蕊焉加，j u ，：0 一s m s u c o l e m a 笔j e t 2 0 兰专芝霎。 蚝= 0 d 1 1 0 聊几 气泡流，弹状流，环状流 玻璃微通道“，：0 1 1 0 0 m j 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 整体式多通道的持液量，压降和气液分布都和通道内的流型有关系。 在研究整体式多通道内部流体力学数据时，单通道的检测、分析技术还有待 于引入到多通道中，主要原因是整体式多通道的单个通道截面一般为非圆形以及 通道内表面和单通道的玻璃表面差异较大。目前来看，将单通道的模型、理论引 入到多通道还存在问题。 1 3 2 压降 整体式多通道内通过的流体所消耗的能量，主要是体现在压降上。具有较高 压降的多通道不仅需要很大的系统能量输入，而且会限制通过多通道的气液流速。 在近几十年里，有许多学者除了发展出大量的经验关联式外还发展了一些现象 学模型【2 9 】。 m e w e s 等建立的压降模型【2 7 】： 等一乞2 纯万z , + p z l ( u l + u g ) 2 等 ( 1 - 5 ) 孚：黑30(1-6) 厶k ( 1 一o 1 5 ) ” 孚：争 30(1-7) 厶厶。 ” h e i s 删0 1 f 等建立的压降模型【3 0 】： ( 等) 一岛尹1 科2 4 气见gm 8 ， 南= 去黜舻= 警 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 f = i 8 ( 2 0 0 c p s i ，o f a 2 0 7 4 1 f = 2 2 ( 4 0 0 c p s i ，o f a = 0 7 5 1 f = 2 8 ( 6 0 0 c p s i ，o f a = 0 7 9 1 整体式多通道产生的压降的影响因素主要有：( 1 ) 壁面摩擦；( 2 ) 气相加速 度；( 3 ) 多通道入口处的入口效应；( 4 ) 气液分布器产生的压降。如果假设流过 多通道的气体不可压缩，则由气体加速度引起的压降可忽略不计【2 7 】。 通道入口和出口效应的研究非常重要，尤其是由于压降引起的通道内气泡的 形变。许多研究学者在进行多通道流体实验时采用了不同结构的气液分布器。但 是目前已发表的文章在分析压降时，只考虑了整体式多通道本身所引起的压降。 除了对t a y l o r 流中的压降进行了研究外，最近发表的一些文献中，还发现了 一些学者对其他流型也进行了压降的实验研究，比如多通道中的环状流【3 l 】。 1 3 3 持液量 气液滞留是在整体式多通道设计、尺度放大和性能模型化时的一个非常重要 的流体力学参数。到目前为止，已经有多种测量方法出现在公开发表的文献中， 比如重力澍3 2 1 ，截面上的图像法【3 3 蚓等。 在t a y l o r 流流型区域内进行的整体式多通道操作过程中，持液量约等于通道 内的液柱长度与液柱和气柱长度之和比值的平均值( 忽略气柱周围液膜的影响) 。 当气液柱没有大量的合并时，可以采用这个简化计算，许多学者发表的文献中提 到了这一观点1 35 | 。 目前已经有很多种技术可以用来测量通道中的气液柱长度。h a t z i a n t o n i o u 和 i r a n d o u s t 等使用两种不同的方法测量了并行下向流的气液柱长度3 6 ，3 7 1 。第一种 方法，他们测量了t a y l o r 周期的位移，从中得到液柱长度并测量了周期的频率。 第二种方法，使用电导装置( 数据见图1 7 ) 采集通道出口处的数据。在通道中 安置两个探针，一个位于通道中心处，另一个位于通道的壁面上。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 f 17 1 ，1飞17 j | i | | | 气 甏 轰 毫 乙 lvi l l m 似l i q u i d 0g a s 图1 7 三种不同气液流率下的电导数据 ( a ) u l = 1 6 7 c m 3 s ，u g = 1 5 6 c m 3 s ；( b ) u l = 1 6 7 c m 3 s ，u g = 2 7 0 c m 3 s ；( c ) u l = 1 0 8 e m 3 s ， u c = 1 5 6 c m 3 s ，通道截面积2 0 m m 2 ，床层密度5 9 f i g 1 - 7c o n d u c t i v i t yc e l lr e s p o n s ea tt h r e ed i f f e r e n tg a s l i q u i df l o wr a t e s ( a ) u l = 1 6 。7 c m 3 s ，u g = 1 5 6 e r a 3 i s ；( b ) u l _ 1 6 7 c m 3 s ，u 3 = 2 7 o c m 3 i s ；( c ) u l _ 1 0 8 c m 3 s ， u c = l s 6 c m 3 s ，c h a n n e lc r o s ss e c t i o n2 0 r a m 2 ， b e dp o r o s i t y5 9 h e i b e l 等使用核磁共振成像技术( m r i ) 成功地对薄膜流型区域内多通道中 的持液量进行了测量【3 8 】。他们使用的是孔密度为2 5 c p s i 的整体式多通道，并在 下向流模式中进行了实验。液速变化范围为0 4 5 到4 c m s ，同时在没有气体的条 件下进行了实验。在上述的液速条件下，持液量变化范围为4 1 5 。对整个系统 使用n a v i e r - s t o k e s 方程进行了建模，并假定气液表面没有滑动。在交替的液速 下( u ， 0 7 5 c m s ) ，这个模型的预测值和使用m 黜方法所测得的值吻合性很 好。 目前，在整体式多通道( 整体式反应器) 这个领域的研究中的成果，鲜有可 以测定在多通道截面上分布情况的方法，但流体分布状态是整体式多通道的一个 很重要的流体力学参数。 1 3 4 整体式反应器中的气液速分布研究 整体式多通道普遍存在气液分布不均现象，最严重的情况是部分通道只有气 体，部分通道只有液体。在这种情况下，很难达到预期的反应效果。理想的分布 情况是每个通道内的气液表观流率是一致的。这时，整体式反应器的反应效果等 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 同于多个单通道的反应效果。这和充满催化剂颗粒的固定床反应器相比，通过垂 直于宏观流向的涓流，可以在径向上得到“自然流动分布”口，即使在反应器顶 端气液分布不太理想，对反应的影响仍可通过在反应器高度内的自然流动分布弱 化。因此，气液分布器的选择和优化并不是反应器的关键。 在整体式多通道中，因为没有通道之问的径向流动和混台，反应嚣顶部的初 始气液分布被锁定，并且在反应器内部没有明显的改变。这可能是个优点也 可能是一个缺点，它取决于初始分布状况的好坏。反之，一个比较好气液分布可 以以一种较好的方式来适应部分润湿特性，这依赖于谁是控制传质保留时间的影 响因素。 目前，针对气液下行并流已经设计出了多种气液分布检测装置。从本质上这 些技术可以分类为常规检测技术和精密检测技术，比如汁算断层照相法( c t ) 和核磁共振成像( m r i ) 。这些检测技术主要是通过使用掩测设备榆测反应器截 面上的液体来实现的。这类技术利用了整体式反应器拥有平行、可物理区分的通 道的特点，才得咀实现检测。 r o y 、a i - d a h h n 和b a u e r 等阢4 0 1 使用伽马射线计算机成像法( c t ) 检测了整 体式反应器截面上气液流速分布。 图1 - 8 扇束c t 装置 f i g 】- 8t h e t o pv i e wo f t h eg a m m ar a yc o m p u t e d t o m o g r a p hs e t u p 他们对整体式固定床反应器内的流速分布进行了c t 捡测。反应器的操作条 件为并行下向流，流型为t a y l o r 流，对气液相在截面上的表观速率分布进行了评 估。 他们使用了第三代扇束c t 装置( 见图1 - 8 ) 。这套设备包括一组n a i ( t i ) 检测器和在相反位置的一1 0 0 m c i c s ”7 封装元件。这套源检测组件环绕在整体式 反应器一周，使用两个步进马达得到大量的数据( 大概1 2 5 0 0 ) ， 对于研究实验室规模的气液两相流实验，作者称这是一个具有可行性的技术 但是对于透过性较差的系统来说，比如整体式反应器，这种技术在空间解析度上 天津太学硕士学位论文第一章文献综述 的可用性还不太明朗。 基于断层摄影术的核碰共振成缘已经被应用丁整体式液膜流反应器的气液 分布研究“j ，实验装置如图i - 9 所示。这种技术具有倬人的精确度，在检测类 似于整体式反应嚣的多相流系统气液分布方面具有很大的发展潜力。由于这种技 术需要强磁环境，所以应用m r i 的方法来研究气液分布成奉很高，而且被限制 在一个很小的领域内。经过报道的文章只限定在一个很小的流体状况范围内”i 。 进一步讲可用的单元密度根低( 5 0 c p s i 或者更低) ，商业应用价值不犬。由于 应用强磁领域的限制，可用m r i 方法研究的整体式反戍器直径也受到了限制。 因此，尽管这些精密的测量方法可以提供详细的信息，但是非常昂贵而且不可按 比例放大；而如果使用常规的办法，则可以轻易避开这些限制，并且操作简便， 便宜、适用于大型的设备。 图19 棱磁共振成像实验装置 f i 9 1 - 9 m a 9 1 n e t i c n s c e i m a 自n gs e t u p 对于常规方注，m a y a n kb e h l 等4 2 1 使用了比重测定法来检测整体式多通道内 的气液速度分布。他们研究了分布器几何结构在给定的整体式多通道内对气液流 速分布的影响。 无淖大学硕士学位论文 第一章文献综述 网墨 b o t t l e s p e r f o m d b s u p p o nw i t h b o t t l eh o l a e r c o m pq e m e n m g l o t $ 图1 1 0 宴验收集装置侧视图 f i 9 1 - 1 0 p e r s p e c t i v ev i e wo f c o l l e c t o r a p p a 惦 巧丽丽丽丽萨裂蠹 - q ! ；rh 卜i r ! ；l 亡一 i i ： 掣 i!m5 、 圈l - i l 收集装置( 前视图】币意圈 f i g 1r 1 1s c h e m a t i c ( t o p 叩d f r o n t ) v i e wo fc o l l e c t o ra p p 啪t u s 尽管这种气液分布检测方法便于操作和采集数据但是液体收集装置对多通 道内的压降有很大的影响，进而影响到了内部的气液流速分布。所以得到的结果 与实际值有偏差。 鲞日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 课题研究内容与选题意义 气液流速分布对整体式反应器的反应效果具有很大的影响，也是影响反应器 放大的一个非常重要的影响因素。 在特定的气液表观速率下，采用高速c c d 相机( 1 0 0 0 f p s ) 拍摄整体式多通 道出口处的气泡串图像。然后使用图像处理软件对c c d 拍摄得到的图片进行处 理，以便于观察。选取2 0 个单通道，再从每个单通道中选取一定量的t a y l o r 周 期。得到每个t a y l o r 周期的起始时间、t a y l o r 气泡长度。由气泡的尺寸、间隔推 算出整体式反应器各通道内的气液流速、气相含率，进而得到在特定气液表观速 率下整体式多通道内的径向气液分布情况。 分别改变进口处的表观气速、液速，比较特定条件下单一通道内的气泡尺寸 随时间变化情况和多个通道的气液流速在径向上、角度上的变化差异( 使用无因 次数分布因子表示分布均匀程度) ；比较多个气液进口速度条件下，气液分布状 况的变化情况( 通过比较每种情况下的分布因子大小得出) 。 + 和以往常规方法先比，使用c c d 拍摄图像的方法不会影响整体式反应内部 原有流体流动状态，得到的数据更加接近于实际值。另外，和使用c t 、m r i 相 比，实验装置更加简易，设备费用更加低廉，比较适合实验室环境下的实验。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置与研究方法 第二章实验装置与研究方法 本课题以整体式多通道为研究对象，多通道内两相流流型为t a y l o r 流，气相 为空气，液相为水。本章主要内容为为t a i j 得气液分布数据的实验流程、实验装 置，同时以某一特定流速为例介绍了处理数据的方法。 2 1 实验流程 实验流程如图2 一l 所示，主要包括三部分。( 1 ) 进气：空气来源为钢瓶a ， 通过质量流量计b 控制流量，进入多通道c 下方一侧的进气口；( 2 ) 进液：来 自可以稳定控制流量的水源，通过转子流量计d 观察记录流量，进入反应器c 正下方的进液口；( 3 ) 数据采集：高速摄像机e 在反应器c 上方的溢流槽一侧 拍摄图像，拍摄完毕后，将数据传回计算机f 。 图2 1 实验流程图 a 空气钢瓶：b 质量琉璃流量计；c 整体式多通道装置； d 转子流量计；ec c d ；f 计算机 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls e t u p a c o m p r e s s e da i rc y l i n d e r ；bm a s sf l o w m e t e r , cm u l t i c h a n n e ls y s t e m ； dr o t e r m e t e r , ec c d ；f c o m p u t e r 水涌 天津大学硕士学位论文第二章实验装置与研究方法 2 2 实验设备 2 2 1 整体式多通道实验装置 图2 2 整体式多通道实验装置 f i g 2 - 2m o n o l i t hm u l t i - c h a n n e le x p e r i m e n ts y s t e m 通道 整体式多通道流速分布实验组件如图2 - 2 所示。其中整体式多通道安装于有 机玻璃材质的圆管内，圆管壁厚4 m m ，内径3 2 m m 。有机玻璃具有透明性好( 易 于拍摄图像) 、不易碎及易于加工等特点。整体式多通道外壁缠绕聚四氟乙烯带， 以保证和有机玻璃圆管之间无泄露。 实验组件自下到上由三部分组成：气液分布器、整体式多通道、溢流槽。 气液分布器长度为8 0 r a m 。进气口、进液口和玻璃微珠层位于气液分布器段。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置与研究方法 液体从分布器正下方进入，进液口直径为1 5 m m 。进液口和分布器主体使用螺纹 连接。进气口为一玻璃弯管，从分布器一侧3 0 m m 处进入，在分布器中心位置弯 向正上方。在分布器6 5 m m 至顶端为玻璃微珠层( 玻璃微珠直径为2 - 3 m m ) ，起 到均匀气液分布的作用。玻璃微珠层上方覆盖一钢丝网，防止被流速较高的液体 吹散。 整体式多通道段为蜂窝陶瓷结构，该段与气液分布器之间采用法兰连接，采 用外螺纹与溢流槽段固定，蜂窝陶瓷与有机玻璃圆管使用三个2 m m 螺丝固定。 该段长度为1 0 0 r a m ，与蜂窝陶瓷等长。 第三段为溢流槽，长度为6 0 r a m 。由于气泡和液体从多通道流出后会出现大 量的聚并，并形成气泡层，难以观察气泡流速、尺寸，所以溢流槽的作用给大量 高速流出的气泡提供分散的空间，以及便于c c d 拍摄气泡串。在5 0 m m 处，有 两个位于对称位置的溢流孔，使得液体可以在指定的位置溢流，避免影响到c c d 的拍摄。 实验组件使用万能夹固定于一高2 m ，长0 4 m ，宽0 4 m 的金属架装置上。 2 2 2 整体式多通道 本课题所使用的整体式多通道为为堇青石材质，矩形孔蜂窝陶瓷，外观如图 2 3 所示，具体规格见表2 1 。 表2 1 整体式多通道规格 t a b 2 一ip r o p e r t yo fm u l t i c h a n n e l 名称 规格 外形尺寸( 1 1 1 1 1 1 ) 孔密度，c p s i ( 孔c m 2 ) 壁厚( r a m ) 孔数 孔径( m m ) 有效截面积( m m 2 ) 矽3 0 m m 1 0 0 2 7 0 2 2 9 3 1 0 8 6 3 5 3 6 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置与研究方浩 2 2 3c c d 高速相机 崮2 - 3 茧青石材质蜂寓陶瓷 f i g 2 - 3 c o r c a e r i t e h o n e y c o m b c s c c d 高速相机是实验装置中的核心数据采集设备。该图像拍摄设簖为a o s x p r i 高速摄像机，如图2 - 4 所示c c d 具体规格见表2 - 2 。 表2 - 2 高速摄像机规格 名称 传感器 像素尺寸 帧率 曝光时问 动拳范围 输入 输出 数据接口 随机内存 记录图像片段长度 温度范围 尺寸重量 镜头接口 8 0 0 6 0 0 像素，彩色 1 2 , u m 1 0 0 0 f 砧( 蛀太) 4 微妙1 秒，全局曝光 彩色2 4b l t 1 4 引接口，可锁定 1 2 v d c 预记录外触艟远程启动 闪光灯输山，待命 千兆网口 26 g b d r a m 5 a 秒 工作0 一十4 5 0 c ：保存一1 0 一+ 8 0 0 c 7 1f i l m 7 1m m 1 2 1m l l d 9 0 02 c 口 天津大学硕士学位论文第二章实验装型与研究方法 c c d 通过千兆网线( 双绞线) 与计算机相连。使用软件a o s l m a g i n g s l u d i o ( v 2541 ) ，接收处理由c c d 拍摄得到的图像。c c d 除调节焦距外的其它设置 需要通过和c c d 连接的计算机上的a o s i m a g i n g s t u d i o 软件设置，c c d 每次所 拍摄的图像需暂存放在本身的高速内存中待拍摄完毕后通过阿线传回计算机本 地硬盘中。 2 2 4 高亮度冷光源 围2 4 a o s x - p r i 高埋摄像机 f i g , 2 _ 4 a o s x - p k ih i g hs p e e d 由于所使用的c c d 工作帧率很高( 1 0 0 0 f p s 强度的光源。 本课题所使用的照明装置为光纤传导冷光源 浦杯灯使用光纤束传导光线。 2 2 5 实验条件与流体特性 所以陛光时间极短，需要高 发光光源为2 i v 15 0 w 飞利 实验是在室温( 2 0 c ) 及常压( 10 1 5 1 0 5 p a ) 下进行的。两相流体系内的 气体为空气，液体为水。流体特性见表2 - 3 。 表232 0 ( 2 及10 1 5 x 1 0 5 p a q - f i j 流体特性 一 一坠翌掣篓塑生坐坚型旦坚监l 产一 动力粘度，p a * s密度- k 咖 水10 0 l o 9 9 8 无津人学硕士学位论文 第二章实骑装置与研究方法 2 3 实验方法与数据处理 在某一特定流量条件采集实验数据。分别调节多通道进1 3 气速、液速至设定 值，气液两相通过气液分布器后，较为均匀地通过蜂窝陶瓷孔道。气液两相在溢 流槽中分离，液体通过溢梳槽顶端处于对称位置的两个溢流孔溢流，然后经过接 收装置进行回收。 2 3 1 图像采集方法 蜂窝陶瓷各通道内的t a y l o r 气泡在溢流槽中形成匀速上升的气泡串。c c d 放置于溢流槽一侧，以向下4 5 度角摆放，调节c c d 焦距及攫放位置至最佳拍摄 条件，使用挡板和螺挫固定。 待整个实验系统稳定后，开始拍摄，每组数据拍摄时间为27 s 。拍摄完毕后， 使用a o s i m a g i n g s t u d i o 通过干兆阿线将图像数据导入计算机。然后仍使用该软 件将得到的r a w 格式动态影像文件按帧转换为2 7 0 0 幅b r a p 格式图片，即两幅 相邻罔片的时间间隔为o0 0 1 s 。使用图像分析软什l m a g e j 4 ”( v 14 i ) 对这些刳 片进行荻度、锐化批量处理，使得图片中的气泡更容易识别。图片经过软什处理 耵后的对比，见图2 - 5 和囤2 + 6 。 墨懑圈 陌2 - 5 使用软件处理前的图片 i f i # 2 - 5p i c t u r eb e f o m t m a l e db ys o f t w a r e 图2 - 6 使用鞭件处理后的圈片 f i g 2 6p i c t u r ea f t e r t r e a t e db ys o f t w 玳 f 一步就是观察拍摄得到的罔片中的气泡，进行数据分析。由于c c d 视角 的关系，对于每一组图片只分析其正对c c d 侧1 ，4 角度范围内的气泡，称 该范围区域为观察区，如图2 7 所小。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置与研究方法 2 3 2 转换系数 图2 7 整体式多通道的观察区 f i g 2 7s u r v e i l l a n c ea r e ao fm o n o l i t h 得到气泡串图片后，首先需要得到的数据就是气泡