（化学工程专业论文）浆料体系中细颗粒增强气液传质研究.pdf

天津大学博士学位论文 中文摘要 化工过程强化是传统化工发展的重要方向之，微细颗粒加入到液相中形成 的浆料能显著提高反应和或传质速率，本文对具有趿附作用和反应活性的微细 颗粒的气液传质增强作用进行了研究。 浆料鼓泡塔中，气泡周围细颗粒的浓度分布及细颗粒在气泡上的附着效率是 影响气液传质增强的重要因素，本文通过求解对流- 扩散方程( f o k k e r - p l a n c k e q u a t i o n ) 对此进行了定量的研究。结果表明，在不同的p 6 c l e t 数或气泡和颗粒粒 径以及浆料体系的其它性质下，颗粒在气泡上的附着分别由对流和扩散两种机理 所控制。此外，气泡的相对粘度对颗粒的附着影响显著。 通过分析其增强气机理，本文建立了吸附剂颗粒强化气液传质的非均相、非 稳态3 d 模型，该模型考虑了气液近界面不同细颗粒对传质的相互作用的本质， 能适应于颗粒在气液近界面分布较为复杂的体系。当浆料固含率大于1 2 时， 3 d 模型计算结果与1 - d 和2 d 模型计算结果具有明显的差别，此时，应该采用 前者来计算其增强因子。 由于分散相在液膜内气液近界面的非均匀分布，采用单一网格形式难以对积 分区域进行划分。本文通过建立复合网格方法，简化了3 一d 偏微分方程的建立和 求解。根据这种方法，整个偏微分方程积分区域被分成若干个由复合网格所覆盖 的子区域，不同的子区域选择不同的坐标系和单元网格，组成复合网格的单元网 格在它们相遇处重叠。本文研究了复合网格形成步骤和算法，并将之与有限差分 方法相结合对3 - d 模型方程进行了求解。 采用3 d 模型对影响传质增强作用的系统参数进行了研究，结果表明，气液 传质增强主要决定于距离气液界面较近的颗粒的作用。固液分配系数，第一层颗 粒与气液界面的距离是影响气液传质增强的主要参数，增强因子随着颗粒粒径的 减小几乎呈线形增加。此外，提出了浆料表观粘度影响增强园子的校正因子为 、厩。 相互作用因子i 定量的表述了液膜内不同细颗粒之间对气液传质增强的相互 作用，研究发现它与液膜内颗粒间相对位置关系不大。将2 d 模型结果采用相互 作用因子修正后获得的局部增强因子结果与3 d 模型相近，用该方法代替3 d 模 型计算宏观作用因子，不仅能大大的减小计算对闻，同对能更有效地处理液膜内 细颗粒复杂分布时的增强问题。 在搅拌槽内对由微溶m g ( o h ) 2 颗粒作为分散相的反应性浆料增强吸收s 0 2 气体进行了实验研究，得到了1 0 到5 2 的增强园子，实验中浆料固含率和搅拌 中文摘要 速率范围分别为0 s 。5 0 和0 。6 ，s 0 2 气体分压和颗粒粒径分别为 5 0 k p a 和5 7 4 删。对s 0 2 _ m g ( o h ) 2 和c o 厂1 c a ( o h ) 2 吸收体系分别建立了三 区域和二区域增强模型。模型的解析解表明，待传质组分分压、颗粒粒径和浆料 固含率是影响增强作用的主要参数，增强因子随着颗粒粒径和待传质组分分压降 低而增大，考虑近界面颗粒“惰性区”的影响并对表观粘度影响进行校正后的模 型结果与实验结果具有良好的一致性。 关键词：浆料体系，增强因子，气液传质，附着效率，复合网格 丕堡查堂塑主芏垡堡苎 a b s t r a c t t h ei n t e n s i f i c a t i o no fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s si s o n eo ft h e i m p o r t a n t d e v e l o p m e n t st h a tg ob e y o n d t r a d i t i o n a lc h e m i c a le n g i n e e r i n g s l u r r ys y s t e mo ff i n e p a r t i c l e ss u s p e n d i n g i nl i q u i dc a ni n c r e a s ec h e m i c a lr e a c t i o nr a t ea n d o rm a s st r a n s f e r r a t er e m a r k a b l y t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h eg a s - l i q u i dm a s su a n s f e re n h a n c e m e n to f f r e ep a r t i c l e sw i t h a d s o r p t i v ea n d r e a c t i v ea c t i v i t i e s i ns l u r r yb u b b l ec o l u m n ，b o t ht h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e sn e a rt h e g a s l i q u i d i n t e r f a c ea n dt h ea d h e s i o n e f f i c i e n c y o fp a r t i c l e st o w a r d st h eb u b b l e s u r f a c eh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c e si nd e t e r m i n i n gt h ee n h a n c e m e n to f g a s - l i q u i dm a s s t r a n s f e r q u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o no fd i s t r i b u t i o nf u n c t i o na n da d h e s i o ne f f i c i e n c yo f p a r t i c l e sa r o u n d a r i s i n gb u b b l ei ns l u r r ys y s t e m s i sp r e s e n t e di nt h i sw o r k b ys o l v i n g t h ec o n v e c t i o n - d i f f u s i o n e q u a t i o n ( f o k k e r - p l a n c ke q u a t i o l l ) ，t h e i n f l u e n c eo f b r o w n i a nd i f f u s i v i t yo ff i n e p a r t i c l e s o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n da d h e s i o n e 艏c i e n c ya r ed e m o n s t r a t e d i ti sf o u n dt h a tt w ok i n d so fm e c h a n i s md o m i n a t et h e a d h e s i o np r o c e s so fp a r t i c l e st o w a r d sb u b b l es u r f a c ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tp t c l e t n u m b e ro rs i z eo f p a r t i c l e sa n db u b b l e ，a sw e l la so t h e rp r o p e r t i e so fs l u r r ys y s t e m i n a d d i t i o n ，t h ev i s c o s i t yr a t i oo fb u b b l et ot h es u s p e n d i n gf l u i dw a sf o u n dt oh a v e o b v i o u si n f l u e n c eo n p a r t i c l ea d h e s i o n b ya n a l y s i st 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 ys y s t e m ，a h e t e r o g e n e o u s ，i n s t a t i o n a r y3 - dm o d e l ，w h i c hc a n c o n s i d e rt h ei n t e r a c t i o no f p a r t i c l e s n e a ri n t e r f a c ea n dt h ec o m p l e xd i s t r i b u t i o ni nt h i sz o n e w a s d e v e l o p e d t od i s c r i b et h e e f f e c to f a d s o r p t i v ep a r t i c l e si ns l u r r yb u b b l ec o l u n ma n dt h r e e - p h a s ea g i t a t e dc e l l i t w a sf o u n dt h a tt h en u m e r i c a lr e s u l t so f3 - dm o d e lh a v ed i s t i n c td i f f e r e n c ea s c o m p a r e dw i t ht h a to f1 - da n d2 一dm o d e li ns o l i dv o l u m e t r i ch o l du pa b o v e1 - 2 a n d3 - dm o d e ls h o u l dt h e r e f o r eb eu s e dt o i n v e s t i g a t et h ee n h a n c e m e n te f f e c to f s l u r r ys y s t e m 讪t hs o l i dh o l d u pa b o v e 2 t h ec o m p l e xg e o m e t r yo fh e t e r o g e n e o u sm e d i an e a ri n t e r f a c ei sd i f f i c u l tt o d e s c r i b e dw i t h g l o b a lg r i d ，t h u s t h e c o m p o s i t eo v e r l a p p i n g m e s h e s s c h e m ei s d e v e l o p e d ，w h i c hs i m p l i f i e dt h es e t u pa n d s o l u t i o no f3 - d p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n a c c o r d i n gt h i sm e t h o d ，t h ec o m p o s i t eg r i d ，c o n s i s t i n go fs i m p l e rc o m p o n e n tg r i d s ， s u i t a b l yc h o s e n t od e s c r i b eap a r t i c u l a rs u b d o m a i na n do v e r l a p p i n gw h e r et h e ym e e t ， i sc h o s e nt oc o v e rt h ed i f f u s i o nf i e l do nw h i c ht h ep d fc a l lb es o l v e du s i n gaf i n i t e a b s t a c t d i f f e r e n c es c h e m e ，a n dd i f f e r e n tc o m p o n e n tg r i d sa n dc o o r d i n a t es y s t e m sa r ec h o s e n f o rd i f f e r e n ts u b d o m a i n t h ea l g o r i t h ma n ds t e pf o rc o n s t r u c t i n gac o m p o s i t eg r i da r e d e m o n s t r a t e d w i t h3 - dm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fs e v e r a ls y s t e mp a r a m e t e r sw a ss t u d i e d i tw a s f o u n dt h a to n l yp a r t i c l e sl o c a t e dc l o s e l yt ot h eg a s l i q u i di n t e r f a c ed e t e r m i n em a s s t r a n s f e r , t h es o l i d l i q u i d d i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t ，t h ed i s t a n c eo ft h ef i s t l a y e r o f p a r t i c l e st u r n e do u tt ob em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，a n dt h ee n h a n c e m e n t e f f e c to f p a r t i c l e sa l m o s tl i n e a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo fp a r t i c l es i z e i na d d i t i o n ，t h e i n f l u e n c eo f a p p a r e n tv i s c o s i t yo n e n h a n c e m e n tf a c t o rw a s c o n s i d e r e d ，a n dt h ec o r r e c t f a c t o r i s 心u a u 。： t h ei n t e r a c t i o no fd i f f e r e m p a r t i c l e s i n l i q u i d f i l mo ne n h a n c e m e n te f f e c ti s q u a n t i f i e db y i n t e r a c t i o nf a c t o ra n di tw a sf o u n dt h a tt h ep a r t i c l er e l a t i v ep o s i t i o nh a s l i t t l ei n f l u e n c eo ni n t e r a c t i o nf a c t o r t h e2 - dm o d e l ，a f t e r t a k i n g t h e b i n a r y p a r t i c l e - p a r t i c l ea v e r a g ei n t e r a c t i o ni n t oa c c o u n t ，w a sf o u n dt od e s c r i b er e a s o n a b l y w e l lt h el o c a le n h a n c e m e n tf a c t o r s ，t h u st h e3 - dm o d e lc a nb ei n s t e a do fb y i n t e r a c t i o nf a c t o rc o r r e c t e d2 - dm o d e l ，w h i c hs h o r t e n e dt h ec o m p u t a t i o nt i m eg r e a t l y a n d i m p r o v e dt h ef l e x i b i l i t yi nd e a l i n gw i t ht h em o r ec o m p l e xp a r t i c l eg e o m e t r yn e a r g a s l i q u i di n t e r f a c e a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec h e m i c a la b s o r p t i o no fs o si n t or e a c t i v es l u r r yo f s p a r i n g l y s o l u b l e m g ( o h ) 2p a r t i c l e s i n s t i r r e dv e s s e lh a sb e e np e r f o r m e d t h e e n h a n c e m e n tf a c t o ro f1 o 一5 2i so b t a i n e da tt h e r a n g e o f 0 占。5 o a n d 0 墨n 。墨6 ，t h ep a r t i c l em e a n s i z ea n dp a r t i a lp r e s s u r eo fs 0 2i s5 7 4 p ma n d5 0 k p a t h et h r e e z o n ea n dd o u b l e - z o n ea b s o r p t i v ee n h a n c e m e n tm o d e la r ed e v e l o p e dt o a n a l y z et h ea b s o r p t i o np r o c e s s e sf o rs 0 2 - - m g ( o h ) 2a n dc o z - - c a ( o h ) 2s y s t e m r e s p e c t i v e l y m o d e la n a l y t i c r e s u l t ss h o wt h a t m n o n go t h e r s ，p a r t i a lp r e s s u r e o f t r a n s p o r t e dg a s ，p a r t i c l es i z e ，a n ds o h dh o l du pa r em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a t i n f l u e n c et h ee n h a n c e m e n te f f e c t t h ee n h a n c e m e n tf a c t o rw a sf o u n dt oi n c r e a s ew i 血 t h ed e c r e a s i n go f p a r t i c l es i z ea n d t h ep a r t i a lp r e s s u r eo f t r a n s p o r t e dc o m p o n e n t t h e m o d e lr e s u l t sw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fi n e r tz o n en e a r g a s l i q u i d i n t e r f a c ea n d c o r r e c t e db y a p p a r e n tv i s c o s i t yh a v eg o o da g r e e m e n t sw i t l le x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：s l u r r ys y s t e m ，e n h a n c e m e n tf a c t o r , g a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r , a d h e s i o n e f f i c i e n c y , c o m p o s i t eg r i d 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，也不包含为获得墨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：梁毗辚 签字日期：2 0 d ；年6 月【日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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：警咎江谜 ( 签字日期：“妒；年l 月 ie i 。 导师妣【司低 签字日期：乒0 3 年j - 月。毋日 天津大学博士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 化工过程强化是近年来传统化工发展的一个重要方向j 。广义的化工过程强 化指的是能显著减小工厂和设备体积，实现高效节能、清洁和可持续发展的化工 新披术的开发和应用，包括设各和工艺强化两个方面【2 】。过程强化设备，即设备 小型化和高效化，包括新型反应器和传质传热等单元操作设备的开发和使用；过 程强化工艺主要是化工过程的集成化，包括化学反应、分离和换热等单元操作之 间的集成；复合分离；替代能源，超临界流体和离子液体和非定态操作等新技术 的开发和使用。 提高传质速率，减小传质阻力一直是化工过程强化的一个重要内容【3 1 。强化 气液两相传质的目的是为了最大限度的实现高效低耗的生产【4 ，”，其主要途径包 括1 6 - 9 】：改进设备结构，以改善两相流动和接触；使用替代能源( 包括光，超声 等) ，利用外场与体系组分之间不同的相互作用以提高反应速率和分离效率；引 入质量分离剂，开发各种复合分离技术。 固体微粒分散于溶液中形成的稳定的悬浮体系称为浆料( s l u r r y ) 。浆料系统 由于其对化工过程的强化作用而被广泛用于化学工程、石油化工和生物化工等领 域。浆料体系的应用能起到设备强化和工艺强化两方面的作用。一方面，固体细 颗粒在液相中分散均匀、传质和传热阻力小，其使用能提高反应速率、传质速率 和传热速率，从而有利于设备体积的减小和能耗的降低。例如，纳米颗粒为分散 相的“纳米流体”是一种高效传热介质，导热系数高出普通液体6 0 以上，其应 用为体积小，重量轻，传热性能好的高效紧凑式热交换设备的研究提供了一个新 途径 1 0 l ；另一方面，浆料在化工复合过程( 如吸附精馏和浆料催化精馏) 中的应 用到对于缩短流程，降低能耗，减少污染物排放能起到积极的作用【1 1 , 1 2 。能起到 强化作用的固体分散相主要是具有吸附、催化或反应活性的颗粒，最引人注目的 固体微粒强化气液传质的工业应用实例是，加入少量活性炭细粉后，铜氨溶液对 二氧化碳的吸收速率提高了8 倍 13 1 。分散相细颗粒的增强作用是化工过程强化的 重要方式之一。 1 2 化工过程强化 1 2 1 化工过程强化设备 第一章文献综述 近年来，随着科学和技术的发展，在工业需求的有力推动下，一批新型反应 和分离设备得到开发并在工业上应用。 1 211 新型反应器 反应过程一直是化学工程中倍受关注的领域之一。新型反应器与传统反应器 相比，具有体积小，生产能力高，能耗低等特点。新型反应器的开发主要得益于 新的流体混合设备、特殊结构的催化剂、特殊的反应器结构和替代能源技术的应 用。典型的新型反应器包括：静态混合反应器、具有整块多孔结构的催化反应器、 具有规整结构的催化反应器、超声波反应器和微型反应器等。 ( 1 ) 静态混合反应器( s m r ) 1 1 4 】：采用静态元件作为混合设备，显著提高混合效 率，强化传热和传质；大大减小反应器的体积，节省投资，提高催化剂的使用寿 命。 ( 2 ) 微型反应器【1 5 , 1 6 】：微型反应器是指体积特别小的反应器，这类反应器一般由 不同数量的带有1 0 1 0 0 , u m 的微通道的薄片组成，具有“夹心三明治”结构。 微型反应器的最主要的特点是可以将混合、换热、催化反应以及分离集中于一个 单元内完成，而且可以获得很高的传热系数和反应速率。微型反应器特别适合于 强热效应和高毒性、易爆炸的反应体系。 ( 3 ) 规整结构催化反应器：采用笼式、串珠式或开式错流结构，降低了流体的流 动阻力，提高了传热和传质能力。主要应用于烟气脱硫和脱氮、工业醚化和脂化 反应以及对于压降要求严格的火力发电厂尾气的脱氮氧化物的处理【1 7 】。 ( 4 ) 超声波反应器：超声波在液体中产生微小的类似于微型反应器的空穴，空穴 在迸裂的瞬间产生的高温、高压和流体剧烈的湍动可显著的加快化学反应，反应 速率的提高可达到几倍到几百倍 1 8 1 。超声波反应器在处理含苯酚的废水中效果显 著【19 1 。 1 2 t2 新型换热和分离设备 ( 1 ) 新型混合设备 包括静态混合器和微型混合器。静态混合器能显著提高物料的混合效率，强 化传热和传质。微型混合器能够在几毫秒内产生微米级的均匀混合，处理能力每 小时可达上千升。对于互溶能力差的液体体系，与搅拌釜相比，具有混合时间短， 温度易于控制等特点【2 们。 ( 2 ) 新型换热器 普通管壳式换热器换热面积约为每立方米几十平方米，而新型换热器的换热 天津大学博士学位论文 面积可达几百甚至几千平方米。因此，在相同的换热条件下，新型换热器换热能 力大大超过普通换热器，因而其使用可以显著减小换热器的体积和个数，节省投 资。据文献报道，c h a r tm a r s t o n 公司研制的m a r b o n d 紧凑式换热器的换热面积 可达1 0 0 0 m 2 m l 2 1 。 ( 3 ) 新型分离设备 旋转填充床分离器是一种利用高重力的新型分离设备。北京高重力中心将其 应用于油田水脱气( 5 0 0 r p s - - 2 0 0 0 r p s ) ，可将原来约3 0 米高的真空塔缩小为直径 约1 米的旋转填充床【2 1 ；采用旋转床生产钠米碳酸钙，不仅可获得的粒度均匀的 产品( 1 5 - 3 0 n m ) ，而且生产时间比搅拌釜缩短达4 一l o 倍1 2 ”。离心吸收器是另一 种正在工业化的新型分离设备，该装置连续操作，能用于离子交换和吸附过程， 具有设备紧凑，处理能力大等特点田】。 1 2 2 化工过程工艺强化与复合分离技术 ( 1 ) 与精馏相关的复合分离技术 精馏是工业上应用最广的一项分离技术，今后较长时期仍将是工业分离的主 要手段。多年来，在传统精馏的基础上，将蒸馏与其它单元操作相结合开发了一 些复合分离技术，主要包括：将精馏与化学( 催化) 反应相结合的反应( 催化) 精馏技术：将精馏与吸附过程相结合的吸附蒸馏技术：将精馏与膜分离相结合的 膜蒸馏技术以及萃取精馏、加盐精馏等1 2 4 - 2 8 。 反应精馏将反应和精馏集中于一个塔内进行，一方面由于反应物和产物的及 时分离而提高了反应转化率，另一方面能提高能量利用率和减小设备投入。吸附 蒸馏是综合吸附和蒸馏两个分离过程的优点而提出的新型复合分离技术，具有精 馏的连续性运转和吸附的高分离因数的特点。现已在实验装置中实现吸附、精馏 和脱附在同一套设备中的连续性操作，并已成功运用于醇一水共沸体系和沸点相 近烃类的分离。膜精馏具有透过选择性好，低压和低温操作等优点。 ( 2 ) 膜催化反应器 膜催化反应器是9 0 年代开始研究的复合分离技术。它利用多孔膜的选择透 过性，在一个反应器内同时实现催化反应和分离操作的一种新型反应器，是一种 典型的反应与分离的集成设备脚】。c a s a n a v c 等利用沸石膜对氢气的选择透过性， 将填充床催化反应器与沸石膜集成在一起，进行异丁烷脱氢制取异丁烯的反应， 使异丁烯的收率提高了l 一3 倍口“。c o b i n a 等利用p d 膜和a g 膜对氢气和氧气的 高透过性能，在p d a g 膜催化反应器中进行正丁烷的气相脱氢反应，将正丁烷的 转化率提高为固定床反应器中的8 2 倍【3 l 】。膜催化反应器目前还处于实验室研究 第一章文献综述 阶段。需要解决的主要问题是【2 】：降低成本：增加膜的渗透性和提高膜的机械与 热脆性。 此外，替代能源也是重要的化工过程强化方法。超临界方法作为一种重要的 强化手段，在天然药物的分离中作用显著p 2 ”j 。 气液浆料系统在化工和石化领域应用广泛，例如，粒径小于1 0 0 ；m 的细颗 粒由于其高活性而常被用于浆料反应器中。近年来，细颗粒对多相体系的质量传 递过程的研究十分活跃，研究内容主要包括细颗粒对气液传递参数的影响和活性 颗粒通过吸附、催化与反应增强气液传质两大方面。 1 、3 细颗粒对气液传递参数的影响 惰性和活性颗粒都能通过影响气液界面附近的气液传递参数，包括浆料表观 粘度、气液界面湍动程度和流体力学状况等使得体积传质系数k l a 、液相传质系 数虹、气含率占。和气液传质界面积a 、以及液固传质系数等发生改变。本节讨论 的细颗粒对气液传质的影响不包括细颗粒活性作用的影响。 1 3 1 细颗粒对液侧体积传质系数k l a 的影响 细颗粒加入后对液侧体积传质系数k l a 的影响多年来一直是气液传质研究 的热点，体积传质系数的改变是虹和口共同起作用的结果。研究成果较多的是 以经验关联式的形式给出。 ( 1 ) 鼓泡塔中细颗粒的影响 细颗粒首先通过改变浆料的表观粘度来改变体积传质系数。颗粒与液体密度 差不大或液体的粘度很大时，浆料可以视为拟均相，这时，体积传质系数k l a 随 浆料表观粘度增加而减小。6z t i r k 和s c h u m p e ”1 在内径为9 5 c m 的鼓泡塔中分 别研究了聚乙烯、氧化铝和p v c 颗粒( 细颗粒的含量达到了4 0 ) 的影响后得 到了如下的关联式 。l a ) o = ( 1 l 广( 1 - 1 ) 式中为纯液体的粘度，卢。为浆料的表观粘度。上述结果是在有机浆料体 系中得到的。实验中表观气速为8 c m s ，表观粘度的范围是o 5 4 1 0 0 m p a - s ，关 联平均偏差为7 7 。 对于水溶液或电解质溶液作为连续相的浆料，在相同的鼓泡塔中，采用硅藻 土( 7 , u r n ) ，氧化铝( 8 , u r n ) 和活性炭( 5 m ) 作为分散相，在表观气速和表观粘 4 天津大学博士学位论文 度分别为“。 8 c m s 和l m p a s 。 1 0 0 m p a s 时得到了如下的关联式口6 1 砒= ( “” m ：， 颗粒的润湿性能对体积传质系数k l c 有一定的影响。非润湿性粒子容易在气 液界面上附着而减小气液接触面积，因此，其对浆料体系体积传质系数的影响较 润湿性颗粒更为显著。颗粒润湿性能的影响在聚乙烯颗粒( 1 6 劬m ) 羧甲基纤 维素浆料中得n t 实验验证 ”1 。然而，对于活性颗粒如活性炭作为分散相的浆料 来说，k ，a 并没有随颗粒的加入而减小，其原因在于活性炭在气液界面上吸附了 部分待传质组分从而增加了k 。方程( 1 一i ) 和( 1 - 2 ) 用于非润湿性颗粒时，需要 通过方程( 吒a ) ，= k l 4 1 一s 。) 进行校正，其中g ，= 如，( 1 + k 6 ，) ，k 与气液固三相 接触角有关。 对于三相硫化床，n g u y e n t i e n 等提出了如下k l a 的关联式 七砌。= ( 1 一。) ( 1 - 3 ) n i g a m 和s c h t t m p e 口9 发现，对于浆料鼓泡塔，塔径为9 5 c m 时，式( 1 3 ) 适应。 s a d a 在内径为7 8 c m 的鼓泡塔内，分别用电解质溶液和糖溶液作为连续相， 测定了c a ( o h ) 2 ( 7 v m ) 、尼龙- 6 ( 2 r a m ) 和玻璃球( 4 0 和9 6 , u m ) 作为分散相时的k l a 与气含率的关系【4 0 】 k l a = c s ：9( 1 - 4 ) 式中气含率靠与颗粒浓度和气速等有关，可采用下式计算 ( 1 一s g ) 3 = 0 0 1 9 u 。v j “6 s p 2 5 州( 1 5 ) 上式形式简单，但式中c 并不是常量，它与固含率，颗粒粒径、颗粒种类和液 体种类等有着复杂的关系。需通过实验确定。例如，在水溶液中，固含率5 w t ， 粒径4 0 m 的玻璃球的c 值较固含率2 0 w t ，粒径9 6 p m 的玻璃球低5 0 。 w i l k i n s o n 提出【4 ”，满足三个条件时，质量传递和气含率不随塔设备而变， 它们是：( 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 r n m 。 这一结果对工业规模的鼓泡塔中的体积传质系数、气液接触界面积的估算提供了 一种新的方法。细颗粒存在时，即在浆料鼓泡塔中，上述结果也具有一定的参考 价值。 在工业生产中，大多数操作处于气泡合并区或过渡区。在液体高度为1 5 m ， 表观气速为0 2 n v s ，浆料表观粘度为l m p a - f 一1 0 m p a s ，粒径d p = 8 0 岸1 t i 条件下， k o i d a 等在塔径为1 0 一3 0 c m ，分布器孔径为o 5 2 5 m m 的鼓泡塔内实验发现气 含率和体积传质系数k 。a 随细颗粒的加入而减小，并得n t 如下的关联式4 2 】 至二垩茎堕堡鎏 _ _ _ - _ - - _ - _ _ 一一一一 k ，口 瓴a ) 。一 l + 1 4 7 x 1 0 4 。o6 ”硝4 “r e “3 4 5m “4 7 7 淤 8 m e ， 其中，r e ：u o p l d 型，f 匕= v ，( d 。g ) 1 ”，：= d ：g p l 盯。 式( 1 5 ) n 1 式( 1 6 ) 只能适应于颗粒与液相具有较大密度差的体系，对于固液 密度差小的浆料体系，s a u e r 和h e m p e l 等进行广泛的研究后得到了如下的关联 式 4 3 咖( 鞘= c ( 南h 苦心) “ m ， 其札。= 刈陆甜睥+ o - - e v ) p l ，一= o 0 1 1 以厨l 刮， 瓦c 。= 1 - e x p ( - p e ) p e ，p e 为采用著名的k a t o 计算得到的颗粒分布的p e c l e t 数1 。上式关联条件为：颗粒密度1 0 2 0 p 。 1 3 8 1 k g m ，分散相颗粒分别为 p v c ( 1 1 0 # m ) 和沙子( 2 0 0 p m ) ，固含率f 。 2 0 。 严格来说，细菌作为分散相，水溶性液体作为连续相的分散系也可以看成浆 料体系。细菌尺寸小，密度与介质接近，k a w a s e 和m o o - y o u n g 将其视为拟均相 导出了如下的半理论方程f 4 5 】 k l a = 7 凹厄笨攀 m s ， 其中c 取为5 0 0 0 m 一，对于塑性流体和c a s s o n 流体分别有 f = ( i - ) ”4 ，f ：6 一万y ”( 1 - 9 ) ( 2 ) 搅拌槽中细颗粒的影响 o g u z 等 4 6 1 采用动态方法在内径为1 4 5 c m 的折流式搅拌槽中测量了细颗粒对 体积传质系数k ，a 的变化。实验中分别采用水、n 丁醇、1 十四烯和l ，2 ，4 一三 甲苯作为连续相，沙子、硅藻土、a 1 2 0 3 、z n o 、c a c 0 3 和b a s 0 4 作为分散相。 得到的体积传质系数k ，a 与单位能量输入、浆料表观粘度、液体扩散系数和表面 张力等的关联式为 k r a d ；d = o1 6 2 r e l5 s co 5 f r 疆1 9 g _ 0 6 字盼钾：一8( 1 - 1 0 ) 其中r e = n 。d ? p 州螂，s c = 芦删捌。d x g f = 盯，舢“g ) ，j = n 。d 。u g s c h m i t z 4 7 1 将平均粒径为8 8 和3 2 0 卢m 的细玻璃球加入到水性溶液中，在2 0 和4 5 c m 两种内径的搅拌槽中得到了如下简单关联式 6 天津大学博士学位论文 2 。口) o 小3 - 5 4 0 v - 0 0 3 ) ( 1 - 1 1 ) 该关联式适应条件为 o 0 3 s ，0 1 2 ，d 。= 3 2 0 z m ，p 。= 2 4 9 0 k g m 3 ，3 0 0 矿一 1 0 0 0 w m 3 o 3 4 “n 5 m p a s 时，有如下 的关联式 s ， 0 0 3 ，k l k l o = 1 0 0 3 g o t ：，七。，t 。= ! ：j 渊 1 _ 1 2 7 第一章文献综述 上式表明，虹随细颗粒的加入下降，但幅度较小，这可能是由于颗粒密度较大且 颗粒粒径不太小时，气液界面附近细颗粒固含率较主体相中低的缘故。一般认为， 浆料搅拌槽中，细颗粒对缸影响较小，特别是固含率小于1 0 时，固含率较大 时，砬随固含率的增大而减小，原因可能是浆料表观浓度升高或者细颗粒在气液 界面上的阻塞作用【5 2 。 对于固液密度差小的浆料体系，例如大多数生化反应器，k a w u s e 和 m o o y o u n g 导出了基于渗透理论的缸的理论关系式 5 3 1 耻志【等j ) 1 45(1-13) 上式当= r 。r 。o 7 时有效。对于鼓泡塔，平均能量耗散为i = u g g 。式( 1 - 1 3 ) 尚需进一步实验验证。 1 3 3 细颗粒对传质界面积口和气含率占。的影响 气液传质界面积a 和气含率s 。是气液传质过程中的重要参数。固体细颗粒对 传质界面积和气含率影响复杂，总的来说，两者决定于组成浆料体系的液相的物 理化学性质、细颗粒的粒径和性质、操作条件以及设备参数等【5 4 】。 根据粒径的大小及固含率范围，p a n d i t 和j o s h 将浆料划分为不同的区 5 5 1 。 ( 1 ) 细颗粒，低浓度区( 粒径小于1 0 叩m ，固含率低于0 6 ) 。对于尺寸小于1 0 m m 的气泡，细颗粒可能会附着于气泡表面抑制其聚并，避免气泡长大。气泡小则上 升速度小，气含率增加，传质界面积增大( 表1 1 ) 。然而，相反的情况也可能出 现，n a g a r a j 和g r a y 等垆m 发现粒径为2 5 p m 的细颗粒反而能降低气液界面积。 q u i c k e r 等 5 9 1 发现o 5 活性炭和硅藻土( d o 1 0 9 m ) 对气液界面积没有影响。 细颗粒区是浆料反应器操作区，因此其研究具有重要意义。 表i - 1 细颗粒对气液传质界面积的影响 5 0 , 5 6 , 5 7 j t a b i - 1i n f l u e n c eo f f r e 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 t 船i 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( 颗粒粒径在1 0 0 - - 1 0 0 0 9 m ，固含率大于0 6 ) 。任 意浓度范围内，细颗粒加入后通过增加浆料表观粘度而降低气液界面积。 鼓泡塔内细颗粒的影响 查堡查堂堡主堂垡笙墨 s c h 6 n a u 等采用乙醇和n 丁醇作为连续相，在内径为2 0 c m 的鼓泡塔内分 别对粒径为7 5 p m - - 5 9 5 p m 的六种不同分散相颗粒进行实验( 1 u 。 8 c m s ) 后， 得到了如下的关联式 毒黼= “鲥 m s c h d n a u 等还发现，气泡粒径随固含率变化不大，因此，有 旦： 堕ll 丝l ( 1 1 5 ) 上述关联式与q u i c k e r 6 1 1 得到的结果相似，q u i c k e r 的实验条件为：塔径，9 5 c m ； 分散相，活性炭( d 。= 5 肇m ，固含率o 1 5 ) 和硅藻土( d p = 6 6 , a m ，固含率0 2 - - 1 3 ) ，其关联式为 删垅0