（化学工程专业论文）浆料鼓泡塔内吸附性微粒增强气液传质研究.pdf

天津大学博士学位论文 中文摘要 在气液系统中加入吸附性微粒能够强化气液传质，该浆料系统由于其对化工 过程的强化作用已被广泛用于化工、石化和生化等领域中。本文就吸附性微粒对 气液传质的增强作用作了实验和理论研究。 本文采用内直径为3 0 m m ，高为6 0 0 m m 的鼓泡塔实验装置，在接近实验物 系泡点温度下，对4 a 分子筛异丙醇一水和4 a 分子筛叔丁醇一水浆料系统进行了 气液传质实验，考察了表观气速、固含率和粒径对气液传质的影响。 考虑鼓泡塔内液相轴向返混及气液两相间的热量传递，建立了浆料鼓泡塔内 气液传质和传热的数学模型，采用有限差分法、追赶法和龙格一库塔吉尔法对模 型方程进行了数值求解，对实验过程进行模拟，利用计算结果对鼓泡塔内微粒增 强气液两相传质的影响进行分析。 利用实验和模型计算结果，对影响传质的因素进行分析，将液侧总体积传质 系数与浆料系统表观气速、固含率、粒径、表观粘度、表面张力和表观密度以及 扩散系数等参数，进行关联，利用最小二乘法得到了浆料系统一定物性范围内可 以适用的关于液侧总体积传质系数的关联式。 在分析吸附性微粒对气液传质增强机理的基础上，应用渗透理论，考虑微粒 的吸附性、加入微粒后液相物性的改变、微粒到气液界面的距离、在气液界面停 留时间、粒径等因素建立了吸附性微粒增强气液传质的一维非稳态非均相模型， 讨论了以上各因素气液传质的影响。计算结果表明：增强因子随微粒吸附容量的 增大显著增加；微粒距离气液界面越远，微粒吸附能力对气液传质的增强越小： 在相同粒径与微粒距离气液界面距离的条件下，增强因子随微粒在气液停留时间 的增加而增加，但是当停留时间超过一定值后，随着停留时间的增加，增强因子 下降；粒径增大，增强因子减小。由于浆料表观粘度的影响，在低固含率下，随 着固含率的增大，增强因子增大。当在较高固含率下，随着固含率的增大，增强 因子减小。 关键词：浆料系统气液传质增强因子增强机理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea d s o r p t i v ep a r t i c l e sc a ne n h a n c et h e g a s l i q u i dm a s st r a n s f e r ，t h es l u r r y s y s t e m o fa d s o r p t i v e p a r t i c l e s a r e w i d e l y u s e di n p e t r o lc h e m i c a l ，b i o c h e m i c a l i n d u s t r i e sb e c a u s eo ft h e i ri n t e n s i f i c a t i o ne r i e c to nt h ep r o c e s s e s t h i sw o r ks t u d i e s t h ee n h a n c e m e n to f a d s o r p t i v ep a r t i c l e so n t h eg a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e di nab u b b l ec o l u m no f3 0m mi ni n n e r d i a m e t e ra n d6 0 0m mi nh e i g h ta tb u b b l ep o i n ta n da t m o s p h e r i cp r e s s u r e t h es l u r r y s y s t e mu s e d a r e4 am o l e c u l a rs i e v e i s o p r o p a n o l - w a t e ra n d4 am o l e c u l a rs i e v e t e r t - b u t a n o l - w a t e r t h ee x p e r i m e n t s i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fs u p e r f i c i a lv e l o c i t i e s ， s o l i dc o n t e n t sa n d p a r t i c l es i z e s t h em a t h e m a t i cm o d e ls i m u l t a n e o u s l yc o n s i d e r i n gh e a ta n dm a s st r a n s f e ri s d e v e l o p e d t od e s c r i b et h et r a n s p o r tp r o c e s s e si ns l u r r yb u b b l ec o l u m n t h ec a l c u l a t e d r e s u l t so fm o d e la r eu s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fs o l i dp a r t i c l e so ng a s l i q u i dm a s s t r a n s f e r b a s e do nt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sa n d m o d e lc a l c u l a t i o n ，a no v e r a l lv o l u m e t r i c l i q u i d s i d em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tc a r lb ec o r r e l a t e da saf u n c t i o no ft h ef o l l o w i n g e i g h ti n d e p e n d e n t v a r i a b l e ss u c ha ss u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t i e s ，s o l i dc o n t e n t s ，p a r t i c l e s i z e s ，a p p a r e n ts u r f a c et e n s i o n ，a p p a r e n tv i s c o s i t y , a p p a r e n td e n s i t ya n dd i f f u s i v i t yo f s l u r r y i no r d e rt oa n a l y z et h ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo fa d s o r p t i v ep a r t i c l e si ns l u r r y s y s t e m ，ah e t e r o g e n e o u s ，i n s t a t i o n a r yo n ed i m e n s i o n a lm o d e li s s e tu p ，b a s e do nt h e p e n e t r a t i o nt h e o r y o fg a s l i q u i dm a s st r a n s f e ra n dc o n s i d e r e dt h ef a c t o r so ft h e a b s o r b a b i l i t y , t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa f t e ra d d i n gt h ep a r t i c l e s ，t h ed i s t a n c ea p a r tf r o m g a s l i q u i di n t e r f a c e ，t h ep a r t i c l er e s i s t a n c et i m eo fs t a y i n gi nt h eg a s l i q u i di n t e r f a c e p a r t i c l es i z e s ，i sd e v e l o p e d t od e s c r i b ea n dd i s c u s st h ee f f e c to f a d s o r p t i v ep a r t i c l e so n t h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e ri ns l u r r ys y s t e m t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e e n h a n c e m e n tf a c t o ri n c r e a s e sw i 廿1t h ei n c r e a s eo f a b s o r b a b i l i t y o f p a r t i c l e s e n h a n c e m e n tf a c t o ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp a r t i c l er e s i d e n c et i m ei nt h e g a s l i q u i d i n t e r f a c ez o n ei nt h eb e g i n n i n ga n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f r e s i d e n c et i m e ；t h ee n h a n c e m e n tf a c t o rd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f p a r t i c l es i z e s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fa p p a r e n tv i s c o s i t yo fs l u r r yo ng a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r ，t h e e n h a n c e m e n tf a c t o r si n c r e a s e si n1 0 w e rs o l i dc o n t e n t sa n dd e c r e a s e sw i t ht h es o l i d 天津大学博士学位论文 c o n t e n t si nh i g h e rs o l i dc o n t e n t s k e yw o r d s ：s l u r r ys y s t e m g a s - l i q u i dm a s s t r a n s f e r e n h a n c e m e n tf a c t o re n h a n c e m e n tm e c h a n i s m 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，也不包含为获得吞凄盘茔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：秀i 丑矸 签字日期：如，；年2 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂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： 套听 签字日期：- ；年jz 月6 日 导师签名 f 司咽 签字日期：a ，卯岁年，辽月7 同 天津大学博士学位论文 引言 第一章文献综述 包含气液固三相的浆料( s l u r r y ) 系统被广泛用于化工、石化和生化等领域中 。浆料系统是指固体微粒与溶液组成的稳定的悬浮体系，固体微粒分散在气液 系统里常作为反应物、催化物或催化剂的载体被加入到溶液中，有时也作为不溶 性产物析出。研究发现，在某些气液系统内加入固体微粒以后，能够使气液传质 得到增强b4 j 。 例如在铜氨溶液中加入少量活性炭微粒后，二氧化碳的吸收速率提高了8 倍 口 。浆料在化工复合过程( 吸附蒸馏和流态化催化蒸馏等) 中可以强化分离或反 应过程【5 。利用c a ( o h ) 2 微粒与水形成的浆料吸收s 0 2 ，取得了较好的效果硼。 在过去的三十年里，固体微粒对气液传质的增强已进行了大量的实验与理论研 究。 1 1 微粒对气液传质增强的研究进展 微粒对气液传质的影响一直是人们关注的热点，所涉及的大多为电解质水溶 液、难溶气体和表面憎水具有活性的浆料系统。 微粒的存在对气液传质的增强主要有以下几种途径： ( 1 ) 微粒在气液界面附近物理吸附传质组分； ( 2 ) 微粒作为催化剂催化有传质组分参与的化学反应； ( 3 ) 微粒与待传质组分发生化学反应； ( 4 )以上几种形式的组合。 微粒对气液传质的增强可用增强因子e 。来表达溶液中加入微粒后对气液传 质影响，不同情况下e 。有不同的数学表达形式，在本章内容里增强因子定义为： j 。 存在吸附性微粒) e = o 弓 ( 1 一lj “d 。( 存在的惰性微粒) 1 1 1 微粒通过物理吸附对气液传质的增强 这种形式的增强可以通过有固定的气液界面面积的搅拌釜进行实验研究。 k a r s 等8 1 和a l p e r 等吲利用活性炭水组成的浆料系统吸收气相中的待传质组分 第一章文献综述 a ，活性炭微粒粒径d 。= 3 ，删。假如组分a 在微粒上达到吸附平衡 是很高，液相主体浓度可以用下式表达： ( 1 托。k 。，百n c a l = j 。口 k 。为吸附平衡常数a 在浆料侧a 组分的摩尔流率j 。为 且固含率不 ( 1 2 ) 以= c a , c ；- m r c a , l 去+ 硒面1 m s ， 实验结果表明，活性炭微粒可以增强气液传质，但是在相当低的固含率时增 强因子就达到一个稳定值。a l p e r 和d e c k w e r 1 们、s a d a 和k u m a z a w a 【7 1 用有效膜 的概念解释过这个现象。他们假定在气液界面上存在一个微粒直径左右厚的微粒 自由层，以此作为最小的有效膜厚度，传质阻力集中在这个膜内，可定义为： = l “d ， ( 卜4 ) 或 e 佃a x 筇川一2 焘 “_ 5 ) 但是，这种说法有几个现象不能够解释： ( 1 ) 固含率低于0 2 k g m 3 增强因子达到最大值1 。 ( 2 ) 粒径大于传质膜厚度的微粒，虽然随着粒径的增大对气液传质的增强减 小，但是仍旧可以增强气液传质。 ( 3 ) 如果认为微粒在浆料内均匀分布，即使假定瞬时达到吸附平衡，微粒在气 液膜内的吸附容量和传质动力学也不能够充分解释实验所观察到的增强 因子的增长趋势。 这些现象现在都可以被v i n k e 1 2 1 的e g a m ( 增强气体吸收模型) 来描述。v i n k e 提出了l a n g m u i r 吸附等温线来描述气液界面上微粒的覆盖率： 旦：垒量 ( 1 6 ) 口。1 + 胎s k 是微粒到气泡的附着常数。用气液界面上微粒覆盖率的概念比较合理的解释了 这个现象。 h o l s t v o o g d 等旧1 4 l 考虑待传质组分在微粒表面的分子扩散，研究了液膜内 第一排微粒的位置和几何形状对气体吸收的影响。在高固含率和微粒没有润湿性 时，增强主要由最靠近气液界面的微粒及其到气液界面的距离决定。这个结果与 i l l ( e 【1 2 】所用的表面覆盖率结果一致。 成弘【1 5 1 等在鼓泡塔内用4 a 分子筛甲醇一丙酮浆料系统，1 3 x 分子筛乙醇一 天津大学博士学位论文 水浆料系统进行实验，平均粒径小于1 0 t m ，测量微粒对气液传质的影响。实验 结果表明，对4 a 分子筛甲醇丙酮物系，微粒对气液传质的最大增强可以达到 1 1 2 5 ，对1 3 x 分子筛乙醇水浆料系统，微粒对气液传质最大增强达到1 5 5 。 b e e n a c k e r s 1 6 , 7 7 和r o b i n s o n 等【3 4 】对气体吸收又做了进一步研究，对有各种 不同吸收特点的气体做吸收实验，研究微粒的吸附和微粒加入后改变k ，和口对吸 收产生的影响。t i n g e 1 8 】通过活性炭水浆料吸收甲烷和h 2 实验得出，随着液相 传质系数的增加吸收率减小。 微粒对传质组分通过物理吸附增强气液传质还有很多研究，表1 1 列出了部 分实验研究结果。 表1 1 浆料系统中气体吸收增强实验总结 t a b 1 1r e v i e wf o rt h ee n h a n c e m e n to f g a sa d s o r p t i o ni ns l u r r i e s 吸收体系吸收形式浆料固含牢增强因子文献来源 活性炭水啵收0 。搅拌盖 1 o w t ，d p 5 1 x m e 2 1l7 1 1 9 j 活性炭水吸收c o z搅拌釜 2 0 - 3 0 w t ，d p 5 i _ t m e 2 卜2 9 【19 1 活性炭水吸收丙烷 搅拌釜4 9 w 1 ，d p 3 4 1 x m e = ii3 2 0 1 ， 2 l 】 活性炭t y , o 收乙烯和雨烷搅拌釜4 0 3 6 0 s “m e 2 卜1 3 【2 2 】 活譬堂：硅藻土、氧化铝n a s n ，水溶液 鼓泡塔d p l o p m e f ll5 1 2 3 ，1 2 4 啵暇乳气 活性炭、硅藻土n a s 0 * 水溶液吸收氧气 鼓泡塔d p 1 0 u m e = 卜1 5 2 5 活性别c 0 冰溶液吸收m 淼；篙蔷5 岬鬻：；：眇， 活性炭n 扎s 水溶液吸收0 ：0 - 6 - 1 6 w t ，d v 5 j - t m ， e 2 卜l6 【2 7 】，【2 8 ， 鼓泡釜01 w t ，d o 1 0 t a m ，1 2 9 1 o w t ，d 。 1 0 0 m 活性炭葡萄糖水溶液吸收o ：鼓泡釜0 4 w t ，d p 5 t a m e 2 卜15 3 0 活性炭n a 。s o ，- b u f f e r p t 吸收c o 。搅拌釜 2 - 3 w t ，d p 2 0 p m e 2 l 一3 3 3 1 】， 3 2 】 活竺篓7 娈茸毫曼兰苎2 - 氨基2 甲基 搅拌釜o 1 5 w t e = 1 91 1 1 丙醇或二乙醇胺吸收c 0 2 05 - 5 w t , 3 0 - 5 3 0 a c c 水吸收丙烷搅拌釜 e = i3 8 】 d l ， 1 0 ”m 嬲嚣翥淼 搅糙0 1 5 k g m - 3 冽。 m ， 1 3 x 分姜筛7 甲醇+ 丙酮吸警甲醇 鼓泡塔 1 。1 2 ”1 - 1 4 w 慨， p 1 。1 4 i l5 】 4 a 分子筛甲醇+ 丙酮吸收水 d 。 2 时，经过某些近似，可以得到下式： e 。：坐_ (18)k-1 。 a ， 这表明，增强因子与微粒粒径成反比。：包含传质过程中液固传质系数以及 微粒内部的扩散系数。例如，在催化剂表面的一级反应可以写作： 。l ：l + ! ( 1 9 ) = 一= i 一+ = = = = = = = = = = = = = 一 c 一 ) k ，s 。k 。n 。a j m 4 k ；a , d at a n h 如果女j 相对于k ，很高时，反应可以看作只由k ，控制。w i m m e r s 对增强因子与颗 粒尺寸进行了实验研究发现，在1 5 k g m 3 的固含率下，p d 活性炭催化细颗粒的 增强因子与i m p 成线性关系。 p y 3 6 】等用活性炭浆料系统吸收s 0 2 实验得出，s 0 2 吸收速率的增强主要是由 于活性炭微粒的“传输机理”和微粒在气液界面匕的附着作用所致。 1 1 3 微粒与传质组分发生化学反应对气液传质的增强 微粒与传质组分直接发生化学反应在化工、生化和环保等领域有着十分广泛 的应用。例如， m g ( o h ) 2 、c a ( o h ) 2 和c a c 0 3 等碱性微溶微粒作为分散相的浆 料能有效地除去空气中的s 0 2 及h 2 s 等酸性污染物。m e h r a 的实验结果可以得出 第三相的加入可以提高反应速率 2 6 。d o r a i s w a m y 等和p t a s i n s k i 3 8 等的实验结 果得出，最大增强可以达到6 。分散相溶解后能与待吸收气体发生反应的浆料 称为反应性浆料，对这种反应性浆料系统的研究也有很多成果。反应性浆料增强 气体吸收的原因在于微粒在浆料中的溶解能源源不断地向液膜区提供与待吸收 气体进行反应的组分。 4 天津大学博士学位论文 气体吸收速率和增强吸收机理一直是反应性浆料研究中的中心问题。理想的 说来，组成浆料的微粒可以分为“粗微粒”和“细微粒”。“粗微粒”指粒径大于 液膜厚度( 或渗透深度) 的微粒，它存在于液相主体，不能存在于液膜内：“细 微粒”则由于其粒径相对于液膜厚度小而存在于液膜区。这两类颗粒为分散相的 浆料对气体吸收增强的机理不同，“粗微粒”在液相主体溶解后，必须扩散至液 膜区内才能与待吸收气体发生反应而增强其吸收；对于“细微粒”，由于能在液 膜区溶解，溶解后的产物能直接与待吸收气体在液膜区内进行反应。 根据上述增强机理的描述，r a m a c h a n d r a n 和s h a r n l a 【3 9 1 于1 9 6 9 年首先提出了 两个基于膜理论的模型，模型解析解表明“细微粒”在液膜区的溶解能显著地改 变待吸收气体在气液界面的浓度梯度从而可能大大的增加气体的吸收速率。 s c a l a 等 4 0 1 对溶解速率较小的细微粒组成的浆料体系的吸收过程研究后发现，不 仅微粒溶解能加快气体吸收，气体吸收反过来也能加快微粒溶解。根据微粒溶解 和气体吸收之间相互促进的关系，u c h i d a 4 1 1 建立了反应性浆料增强气体吸收模 型。u c h i d a 等【42 。4 3 j 则根据反应和扩散组分在液膜中的浓度分布的不同将反应性 浆料增强气体吸收问题分成六类，并分别提出了基于膜理论的模型，这些模型具 有解析解但须采用迭代方法求得。s a a a l 4 4 4 5 1 等对反应性浆料中的气体吸收问题进 行了大量的实验和理论研究，在以往模型的基础上，提出了单平板和二平板模型， 6 6 图1 ，1 液膜内待传质组分与溶解细颗粒浓度分布 f i g l 1p r o f i l e so f t r a n s f e r r e dc o m p o n e n t a n ds o l u b l e p a r t i c l e si nl i q u i df i l m 将反应性浆料增强气液传质的理 论研究提高到了一个新高度。 s a d a 4 6 还认为气液界面存在着一 层“惰性区”，这层区域内不存在 细微粒，其厚度与微粒之间的间距 等有关。根据其理论，采用传质速 率来描述细微粒在边界层内的溶 解速率是不恰当的。近来，m e h r a 1 1 1 分析了气液界面微粒的溶解过程 并认为，当微粒粒径足够小时，必 须考虑微粒在界面停留期间的粒 径变化。图1 1 表示了一个气侧反 应物a 和和来自于溶解性微粒的 反应物b 的反应速率。 反应性浆料增强吸收模型中一般将颗粒溶解速率作为参数。因此，有关分散 相微粒在浆料中的溶解速率的数据及其关联式对于研究浆料的吸收增强作用十 分重要。h i x s o n 和b a u m l 4 7 1 对此进行了大量的实验研究，提出了计算颗粒溶解 第一章文献综述 速率的关联式，这些关联式描述了无因次数群r e ，s h 和s c 之间的关系。然而， 同样的条件下，不同研究者之间的研究结果差距明显，这给数据的选择和使用带 来了很大的不便。 伴随着理论和模型研究的同时，反应性浆料增强气体吸收的实验研究也十分 活跃，它们涉及到了s o j c 0 2 - - m g ( o h ) 2 ，s 0 2 c 0 2 - - c a ( o h ) 2 ，s 0 2 c 0 2 - - c a c 0 3 及s 0 2 m g ( o h ) 2 + c a c 0 3 等诸多体系。表1 2 对一些主要文献研究结果进行了 总结。 表1 2 反应性浆料中增强气体吸收文献回顾 t a b 1 - 2l i t e r a t u r er e v i e wf o ra d s o r p t i o ne n h a n c e m e n to f g a si nr e a c t i v es l u r r i e s 1 2 微粒对气液传递参数的影响 微粒对气液传质的影晌一直是人们关注的热点，所涉及的大多为电解质水溶 液、难溶气体和表面憎水具有活性的微粒体系。最早j o o s t e n l 5 6 等研究得出加入 小粒径的玻璃球、糖粒后，氢气从醋酸溶液中的解析速率会得到提高。之后，很 多关于固体微粒对气液传质影响的研究在不同的气液接触器( 鼓泡塔和搅拌釜) 中进行，得到了大量的实验结果。一般认为微粒是通过影响气液界面的气液传递 参数，包括浆料表观粘度、气液界面湍动程度、流体力学状况和气液界面液侧传 质组分的浓度梯度等，使得液侧体积传质系数k ，a 、液相传质系数k p 气含率s ，i 和气液传质界面面积a 、及液固传质系数k ，发生改变。下面就微粒对几个参数的 影响分别进行讨论。 天津大学博士学位论文 1 2 1 微粒对液侧体积传质系数女。口的影响 微粒对液侧体积传质系数k ，a 的影响已经有很多的研究。本节就微粒的固相 性质和固含率对k ，a 的影响以及一些研究所得的有关k ，a 的关联式来论述。 1 2 1 1 固相性质对液侧体积传质系数k ，a 的影响 b e n a c k e r s 和s w a a i j ”6 l 对搅拌釜内的气液传质，特别针对难溶气体吸收的过 程中固相微粒对气液传质的增强作用作了详细的描述。 就微粒在传质过程中的性质和作用，他们将固相微粒分为两类。一类是惰性 微粒，这里指的惰性微粒不做反应物和催化剂，且不吸附待传质组分。另一类是 活性微粒。活性微粒是指那些具有吸附选择性，能吸附传质组分，或在反应中作 为催化剂或其载体的微粒。一般认为惰性微粒主要通过改变近界面的流体力学性 质和气液界面的湍流情况对液侧体积传质系数产生影响。活性微粒进入到气液界 面附近，尤其是当其粒度小，活性高时，会在气液近界面吸附传质组分，或作为 催化剂催化有传质组分参与的化学反应，或溶解直接与待测组分进行反应从而增 加传质组分在气液近界面的浓度梯度，减小边界层厚度而达到增加虹口的结果。 就微粒表面与水的亲和能力，w i m m e r s 和f o r t u i n 7 j 还将微粒分为亲水性和 疏水性两类。w i m m e r s 和f o r m i n 首先区分了催化剂表面的化学反应和表面吸刚 作用对气体吸收的强化效果。他们还对钯活性炭和钯a 1 2 0 3 作为催化剂对磷酸 羟胺溶液催化加氢反应进行了研究。结果发现，表面疏水性的钯活性炭对气液 传质具有明显的增强作用，而表面亲水的钯a 1 2 0 3 由于不在气液界面上附着未发 现明显的增强作用。h o l s t v o o g d 1 4 1 、l i n d e r 5 7 埽v i n k e l l 2 1 等均对颗粒疏水亲水性 的影响进行了证实。在工业生产中，可以通过颗粒表面改性的方法提高催化剂的 催化能力。 另外，微粒是否具有吸附性、吸附容量大小及吸附选择性也对气液传质有影 响。有些研究者发现，所用的固相微粒的尺寸、密度、乃至形状都非常相似，但 对却气液传质有不同的影响，这就与固相的吸附容量及吸附选择性有关，唯有选 择性强和吸附容量大的吸附剂才能产生较明显的增强效果。t i n g e f “。2 2 】曾经研究 了丙烷、乙炔在水和活性炭的浆料系统中吸附的实验。开始的时候，由于乙炔在 水里的溶解度大一些，微粒吸附乙炔比较多一些，由于微粒更容易吸附丙烷，一 段时间以后，所吸附的丙烷量远大于乙炔的量。 1 21 2 固含率对液侧体积传质系数k ，a 的影响 o z t l l r k 和s c h u m p e1 5 8 1 ，n i g a m t 5 9 1 在内径为9 5 e r a 的鼓泡塔中分别研究了聚 乙烯，最大表观气速“。为8 c m s ，实验是在均匀鼓泡区，浆料系统不同气速下的 第一章文献综述 流区如图l 一2 所示。p 川= 9 4 0 k g m3 ，d ，= 2 4 6 o n t p m = 9 6 5 k g m 3 ， d ，= 1 0 6 t i n ，氧化铝( p p = 3 1 8 0 m3 ，d p = 1 0 5 t m ) 和p v c 颗粒 ( p ，= 1 3 8 0 k g m 3 ，d p = 8 2 k t r n ) 对l i g r o i n 有机浆料( p = 7 2 9 m 3 k t l = 0 5 4 m p a s ) 和t e t r a l i n 的有机浆料( p = 9 6 8 姆m3 ，t l = 2 0 8 m p a s ) 固含率最大达到4 0 。结果如图卜3 所示。 图1 2 鼓泡塔内浆料系统不同气速下的流区 f i g1 2 a p p r o x i m a t ed e p e n d e n c y o f f l o wr e g i m e o ng a sv e l o c i t ya n dc o l u m nd i a m e t e r ( w a t e ra n d d i l u t ea q u e o u ss o l u t i o n s ) 图1 - 3 鼓泡塔内浆料系统固含率对k l 口的啊 f i g 1 - 3r e l a t i v ec h a n g e k l a i nb u b b l e c o l u m nw i t hr e s p e c tt ot h ep a r t i c l e f r e ea sa f u n c t i o no f s o l i dv o l u m ef r a c t i o n w i l k i n s o n l 6 0 1 证明，如果满足以下三个条件，质量传递和气含率不随塔设备 而变：( 1 ) 塔径大于0 ，1 5 m ；( 2 ) 塔高径比大于5 ；( 3 ) 分布器孔径大于1 - 2 m m 。 + sn f o | l 图1 - 4 搅拌器内微粒固含率对k l a 的影响 f i 9 1 4 i n f l u e n c eo f s o l i d so n k l a i n a0 15 d i a m e t e rs t i r r e d - t a n kr e a c t o r 速有关，可用下式表示 这一结果对工业规模鼓泡塔中的体 积传质系数、气液传质界面积的估算 提供了一个基础。 s a d a 等川在塔径为7 8 c m 的浆 料鼓泡塔内研究了固体微粒对k ，a 的 影响。分别用电解质溶液和糖溶液做 连续相，c a ( o h ) z ( 7 o n ，2 4 8 0 堙m 3 ) 玻璃球( 4 0 和9 6 a n ，2 4 8 0 k g m 3 ) 和尼龙6 ( 2 m m ，1 1 4 0 k g 聊3 ) 作分 散相表观气速为2 0 c n l s ，所有数据都 可以用下式关联： k l a = c s ：9 ( 1 - 1 0 ) 式中气含率s 。与颗粒浓度及表观气 一q， 一_nn一ll 天津大学博士学位论文 闻b g = o 。v 式( 1 - 1 1 ) 中c 值与所用的固相与液相的种类、固含率和微粒粒径有关，需要用 实验的方法确定。例如，在水溶液中，固含率5 w t ，粒径4 0 x m 玻璃球的c 值 较固含率2 0 w t ，粒径9 6 o n 的玻璃球低5 0 。电解质的存在降低了c 值，电 解质溶液中固体微粒的存在会进一步降低c 值。 s c h m i t z ( 1 9 8 7 ) 1 6 刮将平均粒径为8 8 和3 2 0 , u m 的细玻璃球加入到水性溶液 中，在内径为2 0 和4 5 c m 两种搅拌釜中进行实验，实验结果如图1 4 所示。 1 2 1 3 液侧体积传质系数关联式 由前面到含翠对液侧体积传质系数的影响论述司知，浆料中微粒固含率的改 变会对液侧体积传质系数有较大的影响，一些研究者利用实验结果把其与固含率 进行关联。o z t t l r k 和s c h u m p e 得到了如下的关联式： 2 d ) 。_ 1 - 3 5 4 0 ，- 0 0 3 ) ( 1 - 1 2 ) 该关联式适用条件为o 0 3 占。o 1 2 ，d 。= 3 2 0 g n ，p 。= 2 4 9 0 k g m 3 ， 3 0 0 1 0 0 0 w m3 ，0 3 4 2 肌，得到如下关联式6 4 1 ： j 。a 他。“) 。= 讲鳓严9 ( 1 1 7 ) 其中，实验中表观气速“( 8 c m s ，表观粘度卢。的范围在1 1 0 0 m p a s 。 具有较高密度的微粒加入到低粘度溶液中，例如铝加入到l i g r o i n 或低固含 率的水溶液中，所得的k ，a 值要比公式( 1 - 1 5 ) 和( 1 1 7 ) 要高，研究者认为可 能是增加了液相传质系数k ，的原因。颗粒润湿性能的影响在聚乙烯颗粒 ( 1 6 4 t m ) 羧甲基纤维素浆料中得到了实验验证1 6 ”。方程( 1 1 5 ) 和( 1 1 7 ) 用 于非润湿性颗粒时，k l a 的减少量可以用口慨d ) 计算，其中a = k s 。( 1 + k c ，) 。k 与气液固三相的接触角有关，随气液固接触角增大而增大。 在工业生产中，大多数操作处于湍流区或过渡区。k o i d e 等1 6 6 j 得到的关联式 使用范围比较广。实验所用鼓泡塔塔径为1 0 3 0 c m ，分布器孔径o 5 2 5 m m ，静 液层高度1 5 m ，表观气速达o 2 m s ，液体粘度从水到1 8 m p a s ，5 2 1 3 7 2 n m ， 0 1 4 d ，x 1 0 9 2 4 m 2 加， 固含率s 最大8 ，5 0 d 。 2 0 0 p n ， p 。= 2 5 0 0 k g m 3 或d 。= 8 0 z m ，8 7 7 0 k g m 3 。关联式如下： ，r i1 8 击。l 满| 。雨而丽南瓢巧 埔) 对非均相湍流区 赫芝竽= 半卜，s “倒摧 m ， 对过渡区 ( 1 ，1 8 b ) 芯一o 2 ，。”8 器厂” s c ， 式中，p = p p p ，r 。= u a p t d ( m ，见，= v ，p ，g ) 2 ，= d ：g p ，盯 “， 朽 面 南一 、凡 h 丕鲨奎堂竖主堂垡丝奎 c 是一个与物系有关的量，例如水、丙三醇水溶液或乙二醇水溶液c = o 3 6 4 。式 ( 4 1 ) 只能适于液固密度差较大的浆料体系，对于密度差较小的浆料体系，s a u e r 和h e m p e l 等进行广泛研究，得到如下关联式： 咖“2 = c 南h 爿 式中： p 彬= ，锄彬，彤= l q + 互5 s ，+ 1 0 0 5 占；+ 2 7 3 x 1 0 e x p ( 1 6 6 占。) ) p 讲= 一+ ( 1 一。h ，饧，。= 0 0 1 l d 厨j 旦j c , c = 口一e x p ( 一n ) j ，。p e 是采用著名的k a t o f 6 7 1 关联式计算所得到的微粒 分布的p e e l e r 数。关联式的应用条件是：颗粒密度1 0 2 0 p 。 1 3 8 1 k g m3 ，微粒 粒径0 4 d ， 2 0 0 0 k = 2 3 3 1 0 n 。， 2 0 0 0 1 2 2 微粒对传质界面面积a 的影晌 微粒是通过改变传质界面积和液相传质系数两个途径来影响气液体积传质 系数的【7 ”，因此有很多学者就微粒对觑和a 的影响分别进行了研究。气液传质 界面面积a 是气液传质过程设计的一个重要参数。固体微粒对其影响很复杂，总 的来说，a 决定于组成浆料体系的液相物理化学性质、微粒的粒径和固含率、操 作条件以及设备参数等【7 2 1 。 根据粒径的大小及固含率的范围，p r a d i t 和j o s h i 【7 叫将其划分为不同的区。 ( 1 ) 细小微粒，粒径在1 0 0 u m 以下，固含率低于o 6 ，传质界面积与气泡的 直径和气含率有关： o d = 二笪( 1 2 4 ) d 气泡直径与气泡聚合速率有关，浆料鼓泡塔内气泡直径一般为几个毫米，对 于直径小于1 0 v m 的微粒，当气泡小于1 0 m m 时，可能会附着于气泡表面从而 抑制气泡的聚并，使得气泡减小。气泡小则上升速度小，气含率增加，传质界面 面积增大，如表1 3 所示。然而，当浆料固含率增加到一定值后，气液界面积可 能降低，这可能是由于固含率高时浆料表观粘度增加的结果。 然而，相反的情况也有可能出现。n a g a r a j 和g r a y 等 7 3 1 嬲2 5 p m 的 反而能降低气液界面积。q u i c k e r 等 7 4 7 5 1 发现o 5 活性炭和硅藻土( l o k t m ) 对 气液传质界面面积没有影响。 天津大学博士学位论文 表1 3 微粒对气液界面积的影响 t a b l e1 - 3i n f l u e n c eo f f i n ep a r t i c l e so ng a s - l i q u i ds p e c i f i cc o n t a c ta r e ai nd i f f e r e n ts l u r r ys y s t e m s ( 2 ) 较大粒径，较高浓度区( 微粒粒径在1 0 0 - - 1 0 0 0 u m 固含率大于o 6 ) 。 在任意浓度范围内，微粒加入后引起浆料的表观粘度增加而降低气液传质界面面 积。 s c h o n a u 等1 7 8 1 采用乙醇和n 丁醇物系，在内径为2 0 c m 的鼓泡塔内分别对粒 径为7 5 m 一5 9 5 m 的六种不同微粒进行实验，表观气速范围为l 一8 c m s ，得到 如下的关联式 揣= 鲥“吲1 ：s ， 占。( 1 一s 。) l 硝