（化学工程专业论文）易起泡物系及其消泡构件的研究.pdf

浙江工业大学硕 士学位论 文 摘要 y4 4 5 3 0 0 ( 在实际工业生产中有一些物系属于易起泡物系，如碳酸钾溶液吸收二氧化 碳、轻烃系统脱甲烷等，它会给工业生产带来一系列问题，如降低生产能力， 雾沫央带严重，塔内出现提前拦液和液泛现象，破坏塔内的正常生产。随着生 产规模的扩大，对陔问题日益关注。目前在工业生产中及工程设计中办采取一 些措施，如添加消泡剂等。但所有这些手段都较为被动，有些还会带来负面效 应 7 本论文旨在采用新的思路并通过实验得到新的机械消泡方法，要求该方法 能将易起泡物系过高的泡沫层降低，以减少或避免添加消泡剂。 为观察气泡在塔板液层内的运动情况，并调试测量仪器，首先在2 0 0 x 3 0 0 m m 的透明有机玻璃矩形塔中，以空气一水为物系，对塔板上只开单孔的情况做了 预实验，测量了在4 0 0 1 h 的液量，不同气量下，气体在液层中形成的气泡团大 小、气泡团内气泡的直径及气含率等参数。在上述预实验的基础上，正式实验 在2 0 0 x 7 0 m m 的透明有机玻璃矩形塔中进行，塔板上的液体无横向流动，空气 一5 碳酸钾溶液为实验易起泡物系，空气一水为参照物系，测量了易起泡物系 和空气一水物系的泡沫层高度，气泡直径，气含率等参数。在完成上述实验之 后，测试了不同消泡构件对降低易起泡物系泡沫层高度的效果。 f 实验结果表明： 1 、采用摄像及图像分析仪对空气一水物系进行了单孔鼓泡的研究，发现在 孔径为7 r a m 1 3 r a m ，孔动能因子f 0 为】1 5 ( m s ) ( k g m 3 ) 7 5 ( m s ) ( k g m 3 ) ”时，气体穿孔鼓泡进入液层后，并不以单个气泡存在，而是以气泡团的形式 存在。研究结果得到了气泡团大小与孔动能因子和孔径的定量关系： d ，= 7 8 7 5 0 7 帆) 。5 0 0 0 5 7 6 d 25 + 3 0 6 7 0 7 ( r ) 。2 d ” 2 、易起泡物系的泡沫层结构特点是大致以距实验塔板7 0 m m 高度为转折 点，7 0 r a m 以上的泡沫层波动较剧烈，气泡较大而且疏松，且大小不均匀，不 稳定；7 0 m m 以下的泡沫层中气泡较小且较为均匀，排列致密。 3 、通过实验，成功地找到了在塔板上设置机械构件来实现消泡的有效方法。 这种消泡方法比目前实际工业生产中采用的诸如添加消泡剂等措施更为经济合 晰正工业大掌硕士掌位论文 理，易于实现。 4 、对同一种实验工况而言( 包括同样的气量、液量、消泡构件在同一位置 等) ，对比在塔板上设置板波填料、丝网填料或百叶窗挡板等构件的消泡效果。 这三种消泡构件降低泡沫层高度的效果依次为：板波填料与丝网填料相近，都 关键词z 易起泡物系气泡平均直径泡沫层高度消泡构件板波填料 塑兰三些查兰璺主 兰竺竺圭 a b s t r a c t t h e r ea r es o m e f r o t h i n gs y s t e m s i n p r a c t i c a l i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，s u c h a s p o t a s s i u mc a r b o n a t es y s t e ma s s i m i l a t i n g c a r b o nd i o x i d e ，l i g h th y d r o c a r b o ns y s t e m s h e d d i n gm e t h a n ee t c t h ef r o t h i n gn a t u r e r e s u l t si nas e r i e so fp r o b l e m s ，s u c ha s r e d u c t i o no ft h e a b i l i t y o fp r o d u c t i o n ，s e r i o u s d r o p l e tf o a m ，e a r l yf l o o d i n g a n d d a m a g e sd o n e t ot h en o r m a lp r o d u c t i o ni nt h ec o l u m n w i t hi n c r e a s i n ge x p a n s i o no f p r o d u c t i o ns c a l e ，t h ep r o b l e m a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s s o m em e a s u r e sh a v e b e e nt a k e ni ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n de n g i n e e r i n gd e s i g n ，s u c ha sa d d i n gb u b b l e - r e m o v i n ga g e n t h o w e v e r , a l lo ft h e s em e t h o d sa r ep a s s i v e ，s o m ee v e nr e s u l t i n n e g a t i v ee f f e c t s t h i st h e s i sa d o p t san e w w a ya n do b t a i n san e wm e c h a n i c a lb u b b l e r e m o v i n g m e t h o db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a nr e d u c et h ee x c e s s i v e f o a mo f t h e f r o t h i n gs y s t e mw i t hr e d u c e d o rn o n e b u b b l e r e m o v i n ga g e n t t oo b s e r v et h em o t i o no fb u b b l e si nt h el i q u i dl a y e ro ft h es i e v et r a ya n dd e b u g i n s t r u m e n t ，p r e e x p e r i m e n t sa r cd o n e o nt h eb e h a v i o r so ft h es i e v et r a yw i t ho n l yo n e h o l ew i t ha i r - w a t e r s y s t e m i na t r a n s p a r e n tp l e x i g l a sr e c t a n g u l a r c o l u m no f 3 0 0 m m x 2 0 0 m m t h ep u r p o s eo ft h ep r e e x p e r i m e n ti st om e a s u r et h eb u b b l eg r o u p d i a m e t e ri n l i q u i d ，t h eb u b b l ed i a m e t e r i nt h eb u b b l e g r o u p a n dg a s h o l d u pi n d i f f e r e n t g a sv o l u m ew i t ht h e s a l r e l i q u i d v o l u m eo f4 0 0 l h b a s e do nt h e p r e e x p e r i m e n t s ，t h ef o r m a le x p e r i m e n t sa r em a d ei nap l e x i g l a sr e c t a n g u l a rc o l u m no f 2 0 0 m m x 7 0 m m ，d u r i n gw h i c h t h el i q u i do nt h es i e v et r a yh a sn oh o r i z o n t a lf l o w t h e e x p e r i m e n t a lf r o t h i n gs y s t e m a n dt h er e f e r e n c e s y s t e m a r e r e s p e c t i v e l y a i r 一5 p o t a s s i u mc a r b o n a t es o l u t i o na n da i r w a t e rs y s t e m t h ep u r p o s eo ft h ee x p e r i m e n ti s t om e a s u r et h ef o a mh e i g h to ft h e f r o t h i n gs y s t e ma n dt h er e f e r e n c es y s t e m ，t h e b u b b l ed i a m e t e ra n dg a sh o l d u p a f t e rt h ee x p e r i m e n t sa r ef i n i s h e d ，t h ee f f e c t so ft h e d i f f e r e n t b u b b l e r e m o v i n gc o m p o n e n t st o r e d u c et h ef o a mh e i g h to ft h e f r o t h i n g s y s t e ma r em e a s u r e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a t ： 浙江工业大 a j 0 硕士掌位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - - h - _ j - _ _ h _ _ - 1 u n d e rt h ec o n d i t i o n so fh o l ed i a m e t e rf r o m7 m m t o1 3m ma n dh o l ek i n e t i c e n e r g yf a c t o rf r o m 1 15 m - s 一蛭”1 1 1 “t o2 5m s 一k g ”m “，t h eg a se n t e r i n gl i q u i d t h r o u g hh o l ei s n o ts i n g l eb u b b l eb u tb u b b l eg r o u p t h eb u b b l eg r o u pd i a m e t e ri s c o r r e l a t e dw i t ht h eh o l ek i n e t i ce n e r g yf a c t o ra n dt h eh o l ed i a m e t e r ： d l = 7 8 7 5 0 7 x ( f 0 ) - 0 - 5 _ 0 0 0 5 7 6 d 25 + 3 0 6 7 0 7 x ( f o ) o 2 x d o 9 2 t h es t r u c t u r ep r o p e r t yo ft h ef o a ml a y e ro ff r o t h i n gs y s t e md e m o n s t r a t e s 7 0 m m h e i g h ta b o v e t h ee x p e r i m e n t a ls i e v et r a ya sat u r n i n gp o i n t a b o v e7 0 m m ，t h e f o a mf l u c t u a t i o ni st u r b u l e n ta n dt h eb u b b l ei sl a r g e ，s p a r s ea n du n e v e n u n d e r7 0 m m ， t h eb u b b l ei ss m a l l ，c o m p a c t 3 a ne f f e c t i v em e t h o do fp u t t i n gm e c h a n i c a lc o m p o n e n t st oi m p l e m e n tb u b b l e r e m o v i n g i nt h es i e v et r a yi sf o u n db y e x p e r i m e n t s t h i sm e t h o di sm o r ee c o n o m i c a l a n de a s i e rt o i m p l e m e n tt h a n t h ec u r r e n t e x i s t i n g m e t h o d sl i k e a d d i n g b u b b l e - r e m o v i n ga g e n ti nt h ep r a c t i c a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n 4 t h ee f f e c t i v e n e s so fb u b b l e - b r e a k i n gb yp u t t i n g c o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n g ， s c r e e n p a c k i n ga n ds h u t t e r f e n d e ro nt h es i e v e t r a y a r e c o m p a r e df o r t h es a m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si n c l u d i n gt h es a i t l eg a sv o l u m e ，l i q u i dv o l u m ea n db u b b l e b r e a kc o m p o n e n t sp u to nt h es a i t l e p o s i t i o a t h ee f f e c t s o fr e d u c i n gf o a mh e i g h t a m o n gt h e t h r e eb u b b l e b r e a kc o m p o n e n t sa r e c o m p a r e d t h er e s u l t s s h o wt h a t c o r r u g a t e dp l a t ew o r k sa l m o s te q u a l l yw e l la ss i l kp a c k i n ga n db o t ha r es u p e r i o rt o s h u t t e rf e n d e li nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h ep r i c eo f c o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n gi sm u c h l o w e rt h a ns i l kp a c k i n g ，w es u g g e s ti tt ob ea d o p t e da sb u b b l e - r e m o v i n gc o m p o n e n t i ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：f r o t h i n gs y s t e m ，a v e r a g eb u b b l ed i a m e t e r , f o a m sl a y e r h e i g h t ， b u b b l e - b r e a k c o m p o n e n t , c o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n g 浙江工业大掌硕 士l掌位论文 第一章前言 在工业生产中有一些物系属于易起泡物系，如碳酸钾溶液吸收二氧化碳、 轻烃系统脱甲烷等。这类物系起泡的原因很多，或由于物系中有机杂质的存在， 或由于互溶性变化引起液相分层，更多的原因还是物系自身的物性特点引起。 此外在加压下的高液气比操作中，由于形成了乳化液也会使不易起泡物系出现 易起泡现象。不论哪一种原因引起的易起泡现象都会降低设备的处理生产能力， 引起严重的雾沫夹带。诱发提前拦液和液泛现象，破坏塔内的正常操作。 目前易起泡物系的消泡问题越来越受到关注，在生产中亦相继采取了不少 措施，如加强溶液管理，杜绝有机物进入系统；避免灰尘及杂质进入系统；减 少溶液中的亚铁离子、铁离子的生成，铁离子浓度太高要进行除铁；加强溶液 过滤：稳定操作，控制塔内液位、热负荷及气液的负荷不要波动太大；注意溶 液性质的变化。定期加消泡剂，使溶液维持一定的泡沫性能等。另外，在工程 设计中往往采用放大降液管，增大板间距来保证塔板的正常操作。 至今，关于何种塔内件结构更适合于易起泡物系的报道，所知尚不多。现 有的资料表明，塔板上的喷射态工况有利于抑制高泡沫层。根据有关文献报道： 泡罩塔中的起泡现象不严重，导向筛板在起泡物系中的稳定性较高。但对于不 少易起泡物系，如热钾碱脱除二氧化碳等，由于液气比高，气液流动参数( 液 体和气体的动能因子之比) f p 高达l 以上，不论采用哪种板型，都很难形成喷 射态。因此如何从机械方面寻求消泡构件，得到一种更为可行的物理消泡方法， 将会对工业生产过程有重要的意义。 为了能得到一种行之有效的物理消泡方法，有必要对易起泡物系的鼓泡情 况进行较为深入的研究。本论文就旨在通过实验研究易起泡物系在塔板上的鼓 泡情况并找到适用于易起泡物系的消泡构件，主要研究内容包括：筛板塔单孔 鼓泡气泡团的研究，易起泡物系泡沫结构的研究，不同消泡构件消泡功能的比 较研究等。 浙江工业大学硕 士掌位论文 第二章文献综述 在工业生产中有一些物系属于易起泡物系，针对易起泡这一特点查阅了大 量的文献，从查文献的结果可知，热钾碱脱碳物系是工业上较为典型的易起泡 物系，而且报道了在工业上实际应用时，因为其易起泡性而带来的一系列麻烦。 由于它是被普遍公认的易起泡物系，所以在本课题研究中，以热钾碱脱碳物系 作为易起泡物系加以研究。 2 1 易起泡物系热钾碱脱碳概述 目前，国外热钾碱脱除二氧化碳的方法f 4 1 主要有：以三氧化二砷和氨基乙酸 为催化剂的改良砷碱法和无毒g v 法，以二乙醇胺为催化剂的改良热碳酸钾 法( b e n f i e l d ) ，硒碲氧化物硼酸钾法( c a t a c a r b ) 等。在国内的大中型化肥厂中， 有7 0 的厂家是采用热钾碱方法脱碳的，添加活性催化剂的方法主要有二乙撑 三胺热钾碱法i ”，氨基乙酸热钾碱法1 6 】，中变气和低变气无毒氨基乙酸法脱碳1 7 i ， 双活化催化热钾碱法f ”，二乙醇胺碳酸钾法i ”，b v 钾碱液脱碳川等。随着热钟 碱法在工业生产中的使用日益广泛，遇到了一个关键问题是溶液易发泡，过 去人们对该类物系不是很重视，但随着生产的发展，此类物系在工业生产中造 成的麻烦越来越多，因此有必要对该类物系消泡问题作一研究。 2 1 1 易起泡物系的发泡原因 南京化学工业公司研究院i ”i1 【”j i l l l ” 发表的文章中指出热碳酸钾系统的发泡 是一个极为复杂的过程，其影响因素很多，一般可归纳如下： a 、设备制作过程留下的铁屑、焊渣、尘埃、活性炭颗粒、催化剂粉尘，填 料上的防锈油等；原料气带入的高级烃、硫化物，化工原制中的杂质，工业水 中的杂质( 氯离子、硫酸根离子等) ，生产过程中的腐蚀产物( 铁离子) 。 b 、脱碳系统中除了发生二氧化碳的吸收和解析反应之外，还可能发生一些 副反应。气体中的一氧化碳也能和碳酸钾起反应： k 2 c 0 3 + 2 c o + 2 h 2 0 2 h c h o + 2 k h c 0 3 ( 1 ) h c h o + k 2 c 0 3 = 2 h c o o k ( 2 ) 浙江工业大掌 硕士掌位论文 低变气中含有微量的甲醇能被氧气或五氧化二矾氧化生成甲醛： 2 c h 3 0 h + 0 2 = 2 h c h o + 2 h 2 0 ( 3 ) c h 3 0 h + v 2 0 5 = h c h o + v 2 0 4 + h 2 0 ( 4 ) 溶液中的活化剂可能发生氧化反应，生成甲醛之类的有机物。 n h ( c h 2 c h 2 ) 2 + 0 2 = 4 h c h o + n h 3 ( 5 ) 上述副反应不仅使溶液的有效成分受到损失，而且它的产物使溶液受到污 染，其结果是溶液的吸收能力降低，并引起溶液的发泡。 c 、操作方面的原因，由于活性炭过滤器结构上的缺陷及滤布选用不当，使 活性炭粉末进入碱液。憎水性活性炭可促进粉末的稳定，造成发泡。吸收塔超 过负荷，溶液再生不好，压力和流量波动，吸收塔和再生塔被污染等。 d 、有些是因为物系的性质，如氨基乙酸分子是一种非对称的极性分子，在 极性分子间由于固有偶极的取向作用，处于表面层的物质具有某种规律性的排 列，使溶液的表面张力减少，形成泡沫的机械强度增大，有助于产生泡沫。 e 、设计方面的原因，主要有设备设计偏小。 2 1 2 易起泡物系在生产中带来的危害 在许多文献中指出1 1 1 1 6 1 s l i o l 2 3 l5 i 溶液的起泡是吸收过程的一个重要问题。 起泡主要发生在吸收塔，脱碳溶液的起泡，有些会自动破灭，有些则不能破灭， 它所造成的困难并不亚于腐蚀，而且其影响往往易于迅速地表现出来。起泡不 但影响溶液的吸收和再生效率，造成带液泛塔，显著地增加吸收剂的损耗，造 成减产，使吸收过程无法进行。严重的会使气液接触不良，设备阻力增大，造 成拦液泛塔现象，破坏生产正常进行，并使药剂消耗大量增加，设计和生产中 都必须注意到这一现象。 辽宁省盘锦化肥厂9 1 根据本厂的实际情况认为在一年多的生产中，脱碳系统 能较正常地连续运转半个月是不常见的，尤其负荷达8 0 以上时，再生塔经常 处于不稳状态，吸收塔也有几次严重泛塔，把碱液带出，造成甲烷化触媒“洗 澡”。当负荷低于6 0 时，脱碳系统热量显得不足，不好操作。山于带液，触媒 活性下降，已换过三次触媒。碱液的带出也严重地造成甲烷化换热器腐蚀，多 次停车补焊。 辽宁省本溪化肥厂发表文章i 指出由于溶液的易起泡性，造成中变换热器 浙江工业大学硕 士掌位论文 结盐，甲烷化温度下降，影响生产。 刘明福等人根据厂里的生产情况指出n 6 1 溶液发泡导致分配器全部被泡沫充 满，溶液无法进入分配器内。泡沫性形成后会使填料层的阻力加大，溶液的细 滴夹带在气体中，使溶液损失增加，塔内产生拦液现象。 2 1 3 对易起泡物系采取的措施 许多厂家都根据自己的实际情况指出，通过科学试验和长期生产实践逐步 找到了减轻起泡的行之有效的措施。他们总结得出的措施主要有 i h l 4 1 1 9 i i l 0 】( 1 3 h 1 4 1 ： a 、系统开车前进行机械清洗和化学清洗，以清除系统设备、管道、填料中 可能有的铁锈、积垢、油脂等杂质，特别是本身含有起泡的物质，入塔前必须 将这些起泡物质清除干净( 一般用热煮法) 。 b 、加强溶液的过滤，过滤掉因副反应生成的不溶物及杂质。工业生产中设 置有机械过滤和活性炭过滤两种。活性炭过滤可以连续运行，也可以间断，视 生产中起泡情况而定。因活性炭在吸附有害物的同时，活化剂也被吸附一部分， 造成一定损失。活性炭使用一定时间后要更换或再生。机械过滤可将溶液中极 细的固体粒子( o o 0 7 m m ) 过滤干净，但机械过滤对可溶性物质及油脂类杂质 作用不大，目前一般使用金属丝网和滤布相结合过滤。但滤布必须酬碱蚀，否 则，又增加起泡的可能性。 c 、使用消泡剂，加入系统少量消泡剂可起到抑制泡沫生成或消除泡沫的效 果。常用的消泡剂有多种，如聚醇类、聚醚类、有机硅酮类等。根据消泡抑制 泡沫发生和消除泡沫性能上的差异，分为抑泡型消泡剂和消泡型消泡剂两类。 d 、保证水的质量，使再生气冷凝液能正常回收、避免溶液污染。 e 、系统的矾化。 f 、再生塔希望使用起泡性能较差的填料塔等。 g 、试剂规格，配置纯净的吸收溶液对防止产生稳定性的泡沫也是很重要的。 h 、修改过滤器结构，选用新的滤布。 i 、地下槽出口增加一台过滤器。 j 、不使用杂质多的碳酸钾。 k 、热碱泵改为机械密封。 浙江工业大掌硕 士掌位论文 2 2 气液两相流动 2 2 1 气液两相流的研究方法 气液两相流动作为- - 1 7 流体力学的分支学科已经得到了很好的发展，但在 化工设备中的气液两相流研究还不够成熟，还有待于进一步深入和完善。一般 来说气液两相流的研究主要是根据实验结合流体力学的理论建立起半理论性的 数学模型，通过计算获得气液两相流中各流动参数之间的函数关系，由此来作 为工程设计的依据。特别是近年来，随着计算技术的发展，建立的气液两相流 的数学模型，可直接通过计算机计算得到各模型参数的估计，并由试验对模型 作必要的修正。 h e w i t t ! ”1 把气液两相流动的研究方法划分为经验方法、分析方法和唯象方 法： ( 1 ) 经验方法【”i 1 2 4 1 此法就是通常所说的半经验方程法，通过实验积累- - j = t l 数据，然后，通过 数学关联和拟合，得出任意或半任意的特定实验条件下的数学关联式。使用任 意常数或任意函数使方程能够拟合实验数据，最后根据建立的方程预测其它情 况，此法的优点是使用直接、简单，但由于在拟合方程时所用的数据范围有限 所以，得到的预测关系和精度将受到限制，在外延使用时，准确性较差。 ( 2 ) 分析方法f 2 5 i 叫2 9 1 分析方法从流体力学的基本方程出发推导气液两相流动控制方程。其过程 为：对气液每相和两相的界面条件建立方程，用平均方法得到瞬时空间平均方 程，然后，根据具体情况将这些平均方程简化到要求的程度，并且求解这些方 程，得出实际问题解。分析方法较严密，所得关系式更有普遍性，借助于现代 计算技术，它无疑是个行之有效的方法。但对所得的平均方程不作某些简化， 没有谁能轻而易举地运用。并且上述这组平均方程还不是封闭的，预测诸如气 含率和压力变化这样一些参量，还需知道一些相关关系，如壁面及界面的剪切 力等。显然，只有当这些相关关系有一定的物理基础或者有较大的普遍性时， 分析方法才能显示其优越性。 浙江工业大掌硕士学位论文 ( 3 ) 唯象方法i ”| - m i 唯象方法从物理上透彻地了解存在的现象，并据此建立模型。此法的思路 为：按相界面分布方式确定气液两相流型，详细地观察和研究气液流动现象， 并运用相应的测量手段，建立理论或半理论的物理模型来描述局部现象。然后 综合局部模型，得到对整体系统的描述。最后，运用整体模型进行预测、设计。 此法优点是能在物理上深刻了解现象，描述的真实性得到了改善，为把所建立 模型外延到不同系统提供了较好的途径。但模型选择的正确与否取决于对物理 本质认识程度，在常规设计中，也往往显得过分地依赖于数据资料。 2 2 2 两相流中的流动模型 目前，对于气液两相流的理论基础依然是详细描述各相运动的经典流体力 学。但是，从基本方程出发进行严格推导是件困难的工作，这是由于一些具体 的气液两相流的边界条件难以确定。因而发展了多种多样的理论分析模型，也 即流动模型，如：均匀流动模型、分离流动模型、漂移流动模型等。1 3 3 1 ( 1 ) 均匀流动模型 这是将气液两相看成为一种均匀介质，这种介质具有均一的流动参数，其 物理特性参数是气液两相介质的相应参数的平均值，因此，可按单相介质来处 理其流体力学问题，那些描述管道中的一维定常单相流动基本方程均可适用， 如： 连续方程：w = p 。v a = c o n s t ； 动量方程：w ( d v d z ) = 一a ( d p d z ) 一p x 。一a p m g c o s 0 ； 能量方程：( d d z ) - ( d w d z ) = w d ( h + v 2 2 + g z 。) d z ； 式中： a 表示管道的横截面积； p表示管道的周边： t 表示壁面的平均剪切应力； d q j a z为管道每单位长度的传热量； z 为沿流体运动方向的坐标； z e 为垂直方向上的坐标； 浙江工业大学硕- & -掌位论文 0 为管道相对于垂直方向的倾斜度； 对实际气液两相均匀流动问题，可将以上基本方程作适当简化处理，就可 求得气液两相流动的各项参数。但在应用中，有关参数都必须是气液两相的平 均值。 ( 2 ) 分离流动模型 分离流动模型考虑了气液两相的物性的不同，而且认为气液两相的速度等 各项流动参数也有所不同。在建立气液两相分离流动模型时，随我们考虑其中 因素的多少，模型的复杂程度也不一样，最复杂的分离流动模型是写出每一相 的连续方程、动量方程和能量方程，气相和液相两相共有六个方程。然后，将 这六个方程与描述相之间的相互作用的方程，以及各相与管壁相互作用的方程 联立求解。 ( 3 ) 漂移流动模型 漂移流动模型实质上是分离流动模型中的一种特例，它主要描述气液两相 之间的相对运动，而不描述每一相的运动0 2 2 3 筛板上的气液两相流动 筛板塔是最具代表性的一种气液传质设备，至今仍在世界上应用最为广泛。 所以本课题主要研究在筛板塔上易起泡物系的气液两相流情况以及适用于易起 泡物系的塔板构件。下面首先对筛板上的气液两相流作一综述。 2 2 3 1 塔板上气液两相流的接触状态 两相流接触状态是直接决定着板上两相流体力学规律和传质、传热规律的 重要因素。因此，在已知条件下判断板上两相接触状态的类型是两相流研究的 基本问题之一。 塔板上气液两相流接触状态的研究是目前受到重视的课题之一【4 7 i 。在板式 塔设备中的两相，主要以错流的方式通过多种结构形式的塔板，且在精馏过程 中尚伴有热传递现象的发生，因此流动型式是复杂的。所以不少研究者对筛孔 塔板作了大量的研究，各研究者所观察得出的结果有差异，甚至所定义的流型 名称也不样。现将有代表性的研究介绍如下： h o ，m u l l e r 和p r i n c e 5 1 1 在内径为3 7 5 英寸的无降液管有机玻璃单塔中进行 浙江工业大掌硕士掌位论文 实验。他们利用w a l l i s 的空塔气速对气体滞留量分数作图的方法，观察到在某 一液量下随着气速的增加，通常出现的四种不同的两相流接触状态。如图22 1 ， 22 2 所示。 自由鼓泡状态：当气速从零逐渐增加时 塔板上液相中的气体滞留量有规律的增加 ( 图2 2 1 中o a 即阶段) ，气泡以鼓泡形 式通过液相，分散的气相呈小尺寸的细泡 状，如图2 2 2 中l 。此一状态可维持到气 体滞留量分数达到0 4 时( w a l l i s 建议的值 是o 5 ) ，对应这滞留量分数的空塔气速 只达o 0 4 6 米秒，这对工业设备没有实用 意义。 气体滞留分数k 图2 2 l根据空塔气速与气体 滞留量分数确定流动状态图 篓避黧篓篓2 2 1 麓a b 篓2 是固露固留 蜂窝泡沫状态的特征( 图一中 即阶k 。一革搁睬；一般i 段) ，发泡层的顶部虽有些波动，但仍能维持 “赛翼“鐾妻裳。罄婆“落婴 中2 。图中亦可看出气体滞留量分数增加到一个 图2 2 _ 2 接触状态 浙江工业大学硕士掌位论文 v _ 空塔气速或表观气速，米，秒 气体滞留量分数 g 一重力加速度，米秒2 d ，筛孔直径，米 喷溅状态：以上三种状态都是以液体为连续相，气体作为分散相分散到液 相中为其特征的。当气速再增加时，情况正相反，气体变为连续相，而液体则 成为分散相，也可以认为此时是液滴的流化床。该状态下液滴大小及速度变化 的范围是很高的( 图2 2 1 中4 阶段，图2 2 2 中4 ) 。 应当说明，以上所观察到的板上两相流状态是在小模型塔板上，无液体横 向流动且液层厚度相对较薄时的情况，这可能与大型实际塔板上的两相流动状 态有一定差异。 h o f h u i s 和z u i d e r w e g 在塔内径为1 5 0 m m 的圆塔上进行了塔板两相流研究， 根据板上液体密度分布的大量实验结果，认为在筛板塔上随着气体速度的不同 可能得到以下四种流动状态： 乳化( e m u l s i f i c a t i o n ) 状态：这是由他们定义的一种状态，出现于高的液 气比时，如加压精馏或在大液量时的吸收。此时气相在大量的液体中乳化，乳 化状态下的两相混合物往往具有易起泡性质。 自由鼓泡状态：出现于低气速漏液点附近操作时，气体以鼓泡形式通过液 体。实际上此种状态一般是没有多大工程意义的。 混合泡沫( m i x e df r o t h ) 状态：气体的鼓泡与液体的喷射同时存在，常见 于一般的常压精馏。 喷溅状态：此时气体变为连续相，液体成为分散相，液体以液滴状被气相 带走，常见于一般的真空精馏操作中。由于气液相作为连续相和分散相的互相 转移，此种状态是很容易区别于其他流动状态的，研究者们对该状态定义是一 致的。 应当提到的是所有这些状态的类型中没有包括在大型塔板上由于液面梯 度、气体分布不均的影响而会在板上某个部位产生的一种清液层状态。 从泡沫状态变为喷射状态，在泡沫状态下气体为分散相，液体为连续相， 当转变到喷溅状态时就发生了相的转变，原来是连续相的液体则被气体喷散成 浙江工业大学硕士掌位论文 小液滴而成了分散相。这两种状态的流动模型完全不同，流体力学规律也会不 同。同时，这种根本性质的转变必然影响相间界面的形成，对两相间传质、传 热会带来很大影响。因此状态转变的研究几乎多集中于泡沫和喷溅状态之间的 转变。关于筛板上两相接触状态转变点等问题引起了研究工作者的注意。但至 今对筛板上两相接触状态转变点的特点和区分的方法尚不一致，不同作者所预 测的相状态转变点的结果差别颇大。关于易起泡物系在不同气液接触状态下的 气泡和液滴运动规律的研究报道更是很少见到。 2 2 3 2 气液泡沫层的物理性质 气体通过小孔形成气泡，可分为两类情况：第一类情况：在气体流速较低 时，决定气泡大小的主要是液体的表面张力。在这类情况下，气泡大小与液体 粘度基本无关。第二类情况：气体流速增加后，气泡的形成就受到了气液剧烈 湍动的影响。m a i y e r 认为1 4 6 】，这种影响可分为两个方面：一方面，由于液体的 剧烈湍动，气泡不待成长到理论上所要求的大小就被拉开，从而减小了气泡的 体积；另一方面，由于运动的气体使液体的湍动增加，延长了颈部的收缩时间， 使过量气体冲入气泡中，从而加大了气泡的体积。 许多研究者都指出，气体达到较大速度后，气泡的生成率就成为一常数。 换言之，加大气量，只是加大了气泡的体积，而并不增加气泡生成的个数。 据文献报道c a l d e r b a l a k 曾指出【4 7 i ，在一般工业条件下，当孔径为15 “毫 米，气体流速大于3 0 厘米3 秒一孔时，气泡的生成率为一常数，并保持在1 5 - 2 0 个秒之间，而且与气体流速，孔径大小，孔间距离与气泡的物理化学性质都没 有很大关系。 只木帧力忡1 总结了有关研究气泡生成的文献，将气泡的生成过程分成三个 区域：( 1 ) 范围a ：液体粘度增加3 0 0 0 倍，气泡直径只增加约1 5 倍。可见， 液体粘度对气泡直径的影响并不很大。( 2 ) 范围b ：气泡呈珠链状上升。v a n k r e w e l e n 4 9 1 认为，在此临界气量以下，加大气量，只能增加气泡的生成个数， 而不能加大气泡直径；而在此临界气量以上，则由于气泡丌始重叠，故继续加 大气量，就不仅能增加气泡生成个数，而且能加大气泡直径。而且，流量加大 后，决定气泡大小的主要是气体流量而不是孔径。( 3 ) 范围c ：气量进一步加 大，气泡的流动转入混乱状态。在该范围中，粒径的大小即单位体积气体的接 触表面积，已与气体的流速基本无关。 2 2 3 3 筛板的泡沫层高度和清液层高度 塔板气液两相处于泡沫态时的泡沫层高度和清液层高度对塔板操作与性能 有重要影响i “】。 z u i d e r w e g i ”i 得出筛板上泡沫层平均密度的计算公式为： 泡沫态： 砖( 甜卜 式中： 西两相鼓泡层中平均液含率 0 ) 。以塔板鼓泡面积计的气速，m s h 清液层高度，m 清液层高度为： h i = 0 6 h o5 l 。o ”o 2 5 舯y 2 铨j 等 ， 式中： t d 筛i l 中心距，m a 。塔扳工作面积，m 2 上式适用于出1 3 堰高为2 5 1 0 0 r a m ，孔径7 1 0 m m 。 泡沫层高度为： h 。：旦 。p ， 2 2 4 气泡行为的研究 由于本课题主要研究的是易起泡物系在筛板上的气泡运动规律，如气泡的 生成、长大和破裂等，所以在查文献时，对这部分文献尤为关注。 2 2 4 1 关于气泡的实验研究成果 1 9 6 5 年d a v i s f 4 2 1 等人研究了表面活性剂对气泡爬流行为的影响。其研究结果 为：在研究表面活性物质的性质时得到随着表面浓度的增加，表面膜将破裂。 浙 - r 工业大掌硕士掌位 论文 表面活性剂吸附在泡的表面，随着吸附的物质越来越多，只要在后面的表面张 力继续减小，“帽”将会继续长，直到表面张力到最小。如果气泡足够小，则由 于表面张力效应，“帽”将会覆盖整个表面。对于一个较大的气泡，当“帽”很 小时，表面膜将会破裂。 1 9 7 6 年k u m a r ，d e g a l e e s a n ，l a d d h a 等人根据d 。受流体物性，操作条件及 结构尺寸的影响，得出了如下计算鼓泡反应塔中气泡大小的关联式口7 】： 1 r e o 1 0 1 0 r e o 2 1 0 0 蝣”( 芒囊 _ 4 0 0 0 r e o 7 0 0 0 0 式中： d ，。当量比表面直径，c m d o 液流孔径，c m ( d 0 的适用范围在0 0 4 1 9 0 8 c m ) g 液体表面张力，d y n c m g 重力加速度，c m s 2 p 0 ，p l 分别为气体、液体密度，g c m 3 r e o 孔口气体雷诺数，r e 。：d 2 p u u t ； g 在上式中，d ：多孔管的直径，u 。多孔管的平均气速。 1 9 7 8 年s a d a l 4 3 1 等人研究了鼓泡反应塔中气泡的形成过程。得到的结论为： 从两个互相垂直的方向上观察到在流动的液体中气泡呈扁球面。气泡的尺寸随 着液速的增大而减小。得到了单独一种气泡和气泡发生聚并的经验方程。它们 分别是： = 1 5 5 n 1 竽 = 2 _ 5 等( ) 0 1 。3 5 式中： n f 广f m u d e 数 一b 一k g 一七堕砒盟嘞 瓦 瓦 r r 洲 珥 浙江工业大掌硕 士掌位论文 6 喷嘴直径 d 气泡直径 6 0 0 0 8 6 c m 王建华等人指出| 3 6 1 气体在鼓泡反应塔中主要通过两利，方式分散为气泡。空 塔气速低时，主要是气体分布器使通过的气体在塔中分散为气泡，从而决定气 泡大小：空塔气速高时，主要由于塔中液体的湍动引起喷出气流的破裂，以及 气泡间既合并又破裂的动平衡来决定气泡的大小；在介于高、低空塔气速间的 过渡区域，气体分布器和液体湍动都影响气泡的大小。对典型的空气一水体系 的实验表明，当空塔气速u 。g o 0 5 m s ，气体分布器的孔口气速小于7 m s 时， 在孔e l 处直接形成气泡，然后气泡通过液体上升，气泡与气泡之间接触很少， 甚至互相之间不接触。气泡的形状、大小和运动与孔口的直径有关。孔径小时 ( 如l m m ) ，形成直径小于2 m m 的球形气泡，近似于垂直螺旋上升；孔径大时 ( 如4 m m ) ，形成当量直径大于6 m m 的菌帽形气泡，具有明显的尾涡，此时气 泡运动可近似看作是垂直上升运动。显然，在空塔气速u 。 o 0 5 m s 下操作的 鼓泡塔，其气体分布器的设计十分重要，一般采用多孔板或多孔管，孔径小于 3 m m 。在u 0 0 达到0 0 5 m s 时开始发生气泡的合并，这也是湍流鼓泡区域的开始。 当u 。o 达到0 2 5 m s 时，为了减小喷孔的阻力，常采用大孔径的单管。在这种情 况下，气液两相均处于高度湍动状态，气泡已不是在分布器孔1 3 处形成而是 在7 l 1 3 形成一股气流以喷射状态进入液层在分布器上方崩解成气泡。此时，气 泡的直径与分布器孔径无关。 对于安静区单个球形气泡，在气速不大时，气泡从单个孔1 3 长大到其浮力 与表面张力相平衡时，就离开孔e l 而上升，成为小圆球形，于是可得： 矧i翮 6 l p i j p 【；1 9 式中： d 。液流孔直径 a 液体表面张力 由上式可知气泡直径d 。为： d 6 = s z l i - h 一。对o - 1 浙江工 qj , 大掌硕 士掌位论文 由此得知d 。只与孔径有关而与气速无关。这种小的圆球