（化学工程专业论文）ilar中表面活性物质对牛顿非牛顿流体传质性能影响.pdf

人逡理r 大学硕士学位论文 摘娶 在气井式内环流反应器( i 淤r ) 浆实验装置中，分别添加不羼鲍表嚣活缝甥质子牛 顿流体( 去离子承) 秘 # 牛顿流髂淄 甲基纾维索镧承溶液，c m c ) 中，研究了气一液体系 的流体力学特性和传质性能，并在甥论上对实验结果进行了分析。 向空气一水体系中添加微量醇炎物质( 乙醇、救丁醇、季戊四醇) 可以显鬻强化i l a r 串懿气一滚绩凌淫施，箕爨嚣霆添鸯羹擞量醇粪耪溪会改交气一液掰鞠豹器蠢获悉，获瑟麴 制了气泡间的聚并行为。但是，这种抑制气泡聚并的作用只存在于一定的醇浓度范围内， 超过某一极限浓度时，氧的液相体积传质系数会荫所降低。关于气含率的研究结果表明， 当表戏气速提离融，含黪体系积去藤予承钵系鳃气食率考增热；在箱同鼹袭溉气速下， 添加醇体系鹊气吉章孵显高于去禽予水体系。此外，添加电勰颁氯化钙也会提高氧的液 相体积传质系数，本文从离子强度的角度对其抑制气泡聚并，强化气一液传质的机理进行 了分撰。 串顿滤俸c m c 承溶液豹实验缭粟表稠：与牛顿流俸穗比，棼牛顿滚体中气一滚转矮 性能降低，并且随着黏度的增加而明显降低，这悬由于黏度的增加会使t a y l o r 泡的尾流 更趋于稳定，降低了液相扰动，从而有利于气泡蚓发生聚并现浆。向非牛顿流体中添加 醇类锈矮瞧会影嗡气一滚铸囊瞧铯，蔟影螭佟眉秘蘩台凌蛉含夔有关：对于聚合鞠含量低 的非牛顿流体，添加微量醇可以强化气一液传质；聚合物含量离的非牛顿流体，微量醇的 加入反而不利于气一液间传质过程。无论聚合物古摄高低的非牛顿流体，添加电解质均会 使液提体积传质系数恕疗值有显著的提裹。另外，随着黏度鲍增鸯曩，菲牛顿滤体在i l a r 主秀謦中盼气含率变纯不大，两夜下降管中气古率有顼疆高。 关键词：气一液传质；表面活| 生物膜；牛顿流体；j e 牛顿流体；气泡聚并 i l a r 中表面活性物质对牛顿，非牛顿流体传质性能影响 嚣惫c to fs u r f a c ea c t i v ea d d i t i v e so nm a s st r a n s f e ri nn e w t o n i a no r n o n - n e w t o n i a nf l u i d si na ni n t e r n a ll o o pa i r l i f tr e a c t o r a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tw o r k ，h y d r o d y n a m i ca n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f g a s l i q u i ds y s t e m c o n t a i n i n g n e w t o n i a nf l u i d ( w a t e r ) o rn o n - n e w t o n i a nf l u i d ( a q u e o u ss o l u t i o no fs o d i u m c a r b o x y m e t h y l e e t l u l o s e ，c m c ) a st h el i q u i dp h a s er e s p e c t i v e l yi na l li n t e r n a l | 静印a i r l i f t r e a c t o rf l e a r ) a r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi nt h ep r e s e n c eo fs m a l la m o u n t so fs u r f a c e a c t i v ec o m p o n e n t sa sa d d i t i v e s t h e r e a f t e r , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei n t e r p r e t e db a s e do n t h e o r e t i c a lc o n s i d e r a t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fa i r - w a t e rs y s t e mi n1 l a rs h o wt h a tt h ea d d i t i o no fa l c o h o i s ( e t h a n o l ，t e r t i a r yb u t a n o l ，p e n t a e r y t h r i t 0 1 ) i n t ow a t e rr e s u l t si nas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nt h e o x y g e nt r a n s f e r c o e m c i e n t w h i c hi s m a i n l y d u et ot h ec h a n g eo fg a s l i q u i di n t e r f a c i a l p r o p e r t i e s a n d s u b s e q u e n t i n h i b i t i o no fb u b b l ec o a l e s c e n c e p r o c e s s h o w e v e r ，t h e ；n t e n s i f i c a f i o no fg a s ，l i q u i dm a s st r a n s f e ro c c u r si nac e r t a i nc o n c e n t r a t i o nr a n g e b e y o n da l i m i t i n gc o n c e n t r a t i o nv a l u e ，t h el i q u i dp h a s ev 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 to fo x y g e n d e c r e a s e ss l i g h t l y g a sh o l d u p si nb o t ht h ew a t e ra n da q u e o u ss o l u t i o n so fa l c o h o l si n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y 喇也t h ei n c r e a s ei ng a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y h o w e v e r , t h el a t t e ri sm u c hh i g h e ra t t h es a m eg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t y i na d d i t i o n ，a n i n c r e a s ei nt h em e 鲫e dl i q u i d p h a s e v o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rt o e 娟c i e n ti sa l s of o u n dw h e nm i n u t eq u a n t i t i e so fe l e c t r o l y t ea r e p r e s e n ti nt h ew a t e r w h i c h c a r lb ea n a l y z e do nt h eb a s i so fi o n i cs t r e n g t h t 娩e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 诚也r e s l x e c tt oa q u e o u ss o l u t i o n so fe m e r e v e a lt h a tg a s l i q u i d m a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c ei si n f e r i o rt ot h a to f n e w t o n i a n f l u i d m e a n w h i l e ，a ni n c r e a s ei nt h e v i s c o s i t yo fn o n n e w t o n i a nf l u i dw i l lc a u s eaf u r t h e rd e c r e a s ei n t h eo x y g e nt r a n s f e rr a t e s h o w i n gt h a t i ns u c hc a s eb u b b l e sa r e p o s s i b l y m o r ee a s i e rt oc o a l e s c e n c eb e c a u s et h e i n c r e a s i n gv i s c o s i t yt e n d s 静s t a b i l i z et h ew a k ef l o wb e h i n dt a y l o rb u b b l ea n dc o n s e q u e n t l y r e d u c e st h et u r b u l e n c el e v e lt h e r e a l s o 。t h ea d d i t i o no fa i c o h o li n t o 磕en o n - n e w t o n i a l lf l u i d h a ss o m ec e r t a i ni n t l h e n c eo nt h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rb e h a v i o ri ns u c hs y s t e m h o w e v e r ， t h i si n f l u e n c ev a r i e sw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n so f c m c p o l y m e r i nt h ea q h c o u ss o l u t i o n s t h a ti s t h ea d d i t i o no fm i n u t eq u a n t i t i e so fa l c o h o lw i l li n c r e a s em a s st r a n s f e rr a t e 越i o wc m c c o n c e n t r a t i o n sw h i l ea tm 出c m cc o n c e n t r a t i o n st h ec o n t r a r yt r e n di so b s e r v e d + a st h e r ea r e s m a l la m o u n t so f e l e c t r o l y t ei nt h ec m c s o l u t i o n s t h em e a s u r e dl i q u i dp h a s ev o l u m e t r i cm a s s t r a i l s f e rc o e f f i c i e n t sa r ea l w a y sh i g h e rt h a l lt h o s eo fc m cs o l u t i o n so f d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s 大连理天学硕士举谴论文 w i t h o u ts u c he l e c t r o l y t e w h e nt h ev i s c o s i b , o ft h en o n - n e w t o n i a nf l u i di n c r e a s e s ，t h eg a s h o l d u p i nt h er i s e ri sf o u n dt oc h a n g es l i g h t l yw h i l et h a ti nt h ed o w n c o m e ri n c r e a s e s k e yw o r d s ：g a s - l i q u i d m a s su a n s f e r ；s u r f a c ea c t i v e c o m p o n e n t ；n e w t o n i a nf l u i d ； n o n - n e w t o n i a nf l u i d ；b u b b l ec o n e s c e n c e ” l l * 独创性说朝 作者郑重声明：本硕士学位论文楚我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成暴。尽我所知，除了文中特别加以标淀和致谢瞧地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究贱果，也不包含为获得大连理工大学 藏者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的阋志对本硬究 所傲的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：塞熊丝日期： 大避理工大学硕士学位论文 雩|言 对于轻工、医药、石漓化工、生物讫z 等行豫丽言，气一液闯的话质帮液稿中静纯学 殿应构成一个捆三i 影响、相驻竞争、相互制约的统一体系。生化反应中气棚摹液楣的传 旗过程常常是控制步骤，因而气一液间的栩际传威显得尤为重簧，是影响气一液反应的决 定因素。 生化反应的培养灏中常禽有无机盐、糖类以及微生物新陈代谢产生的有机醇、酸等 滋合穆，使褥滚稳静辩度、袭嚣张力、扩散系数簿发生变铯，姨两影糖荚传递效栗，这 种现象融经引趣了研究者们的关注。文献”1 1 报道了在定气速范围内，向鼓泡塔中加入 微量醇域电解质可以撵高气体在液裙中酌分散注麓，傻气台率得以明驻增加。z i e m i n s k i 等。1 研究了添加醇及一元、二元羧酸对气泡尺寸及气一渡楣界面积的影响，结果表明，睫 着有机物浓度及同系物中碳原子数目增加，气一液相界面积增加，同时平均气泡直径变小， 从燕京效改善了气一滚接触状况。文献“3 鬟液压活瞧分子在爨瑟澎残擎分子层定商分匆筠 观点，分析了向水溶液中添加乙醇或乙酸异戊酯后气一液传质过程强化的实验结果。 m o u z a o 。等研究了玉丁黪及焉三醇对平玛气含率及气淹尺寸靛影桶，德铜认为当液糖稚度 增加，幽于降低了湍动程度，小气泡易于聚并形成大气泡；而袭面张力增加时，促进了 气泡豹破碎行为同时抑制聚并的发生，使得s a u t e r 鸯径变小，促进了气一液两相传质过 稷。 另一方面，生化反应中的流体大都呈现一定的非牛顿性，并且随着反应过程的进行， 侮系懿嚣牛顿| 璺增强，gl 超了复杂懿混合秘传震润瑟。国予j 孛顿浚体体系中渡籀复杂 的流变学性质，气一液两相的流动形式与牛顿流体体系差异较大，气泡间相互作用更为复 杂。h a s s a g e r ”率先掇密菲牛顿流体中自宙运麓豹小气淹下方存在逆向穗流运动， t e r a s a k a 和s h i b a t a 0 1 测定了鼓泡塔中具有屈膝应力的黏性流体中的气一液传质性能， k a m i s h “”给出了黏度服从指数规律的流体中稳定上升长气泡的一维运动方程，并认为气 溆周圈渡膜的厚度睫羲p o w e r - l a w 攒数的咚低嚣璞烟。文献“”l 季塞出 每顿滚铬中气滤阕 的聚并行为由液相中剪切应力的产生和松j 也过程所控制。 气身式内嚣漉反藤器( i n t e r n a ll o o pa i r l i f tr e a c t o r ，i l a r ) 爱誊蓊发震鞍浃静 一种气液反应器。由于反应嚣内设鬣了导流管，使物料在内外管之间产生环流，从而改 善了反应器内流体流动状况，强亿了气液闯的传旗过程，并且由密度麓弓| 超的混合方式 使得液棚剪切攀低，特别适用于对剪切速率敏感的微生物反应，因丽远年来广泛应用于 生物发酵和废水处理等过程中“+ ”。液相体积传质舔数和气含率是反映气升式内环流反应 i l a r 中袭霹 蠢性物质对牛顿非牛顿滤体健鹱睦能影响 器鼗质积流体力学特性的重要参数。农气一渡掰媚系统中，滚楣的镪化牲艨毫接影躐气漶 行为，而气泡间的行为( 特别是聚并和破碎现象) 对气一液栩的传质性能常常起鹫决定性 瓣佟厢。对于加入薛促进气液传囊的机理分概，一些磷咒赣“。4 集中于碳链长度、分子 极性等方预的探讨，而从界衙处组分的扩敞和吸附所引起界面状态的动态变化，抑制气 泡聚并的分析报导却不多觅；关于电解质强化气一液传质的枫理，研究者在电解质溶液中 气逡尺寸鲡 哥敬交这一润题上还存在争议“8 。诧井，关予嚣牛顿流体中气泡聚著和破确 行为黠气一滚转矮瞧戆影璃静 i 拜究遣较乡涉及。 因此本文农气舞式蠹j | ；| = 波反褒器中，分裂采鼹动叁掺气法亵澎强体敬凌( 或压莲法) 测定液相体积佟质鬈数和总体乎均气食率( 或局部气台率) ，来考察添加袭覆活性物质瓣 牛顿流体、非牛顿流体中气一液传屡性能积流体力学特性的影响，势从气溆行为与表露化 举及扩散之间的复杂作用上进行分析，以期望获得商启发、有意义的研究结果。 大连理t 火学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 气一液两相流的发展简史” 两相流现象广泛存在于自然界和生产实践中，虽然两相流动力学只是2 0 世纪6 0 年 代开始迅速发展，并在8 0 9 0 年代才逐渐形成的一个新的学科分支，可是很早以前人类 就在生产和生活中遇到同两相流有关的问题，并提出了各种解决方法，积累了许多经验。 1 8 世纪中叶w a t t ( 瓦特) 发明蒸汽机以来，由于缺乏气一液两相流与传热方面的知识曾 发生过不少工业事故，如早先一些蒸汽轮船和蒸汽机车的锅炉爆炸事故促使人们去研究 锅炉内的水循环和传热问题。1 9 世纪末和2 0 世纪初已有一些论文论述了船用锅炉中的 水循环和传热特性，有的还论及了气液两相流体流动时发生的脉动问题。1 9 1 0 年m a l l o c k 研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。1 9 2 0 1 9 4 0 年间，发表了有关气一液两相 流不稳定性以及锅炉水循环中气一液两相流动问题的经典性研究论文。但许多经验和研究 成果都分散在各个生产部门，交流不多。2 0 世纪4 0 年代以后才开始有意识地总结归纳 各种现象和规律，用两相流的统一观点系统地加以分析研究。两相流的名词( t w o p h a s e f l o w ) 在1 9 4 9 年己见诸文献，5 0 年代以后，随着动力工业中高温高压高参数的引入和 宇航工业及商用核电站的发展，大量有关气一液两相流与传热的研究论文开始出现，有关 两相流边界层、激波在两相混合介质中的传播、空化理论、流化态技术喷管流动等方面 的研究论文也显著增加。1 9 4 8 1 9 4 9 年l o c k h a r t ( 洛可哈特) 和m a t i n e l l i ( 马丁内里) 等人先后提出气一液两相流摩擦阻力计算的l o c k h a r t - - m a t i n e l l i 参数及经验方法。1 9 5 4 年b a k e r ( 贝克) 提出了气一液两相流的第一张流型图。2 0 世纪6 0 年代以后，越来越多 的学者从不同角度探索了描述两相流运动规律的基本方程。国际多相流杂志( i n t j m u l t i p h a s ef l o w ) 也于1 9 7 4 年创刊，1 9 8 2 年出版了首部多相流手册( h a n d b o o ko f m u l t i p h a s es y s t e m ) 。2 0 世纪8 0 年代以来国内也陆续出版了一些有关两相流研究的教 材和专著。因此，两相流动力学作为一门独立的学科可以说已经形成，并正在迅猛发展 中。但总的来说，其理论尚处于发展初期还很不成熟，仍停留在不同传统行业中特定条件 下的经验总结，还依赖于经验数据，而且数据的分散性很大。要想从以数学上严格细致 为主的理论基础出发，将不同传统行业中发展起来的解决两相流与多相流系统问题的方 法以及设计、运行中大量使用的经验公式统一起来，并给出逻辑上科学完整的系统解释， 使两相与多相流动真正成为一门独立成熟的科学，还有很艰难很遥远的路程要走。 i i l k r 中表黼活性物质对牛顿日 牛顿流体传质性能影响 1 2 气一液传聩理论的研究背景 气一波传质过程广泛存在于轻工、医药、石油化工及生物化工等行业中。对整个化工 过程丽富，气一灏闼豹馋矮秘滚楣中熬化学反应构成一个趣互影稠、相互竞争、楣互铡约 的统一体系。由于实验技术的限制，气一液传质理论研究进展缓慢，但它对理论研究和工业 纯设诗爨其畜卡分重要静；鲁簿意义。 经典气一液相际传质模型包括双膜模型、溶质渗透模型和袭面更新模型。1 9 2 3 年 w h i t m a n ”提出了双膜模型，他将边羿层概念引入耍4 传质中，认为无论朦流或瀹流，紧靠 爨蔼处的流体里层流漉动，传质阻力集中予这一薄层厚度为的虚拟膜中，膜中阻力相 当于全部传质过程，且膜内无溶质的积累，扩散为稳定过程。1 9 3 5 年h i g b i e 1 提出了溶 震渗透摸鳖，暇定来蠡主 本的滚髂元运凄到界嚣上箨蜜段蠢瓣，在这菠对澜内，两楣 闻发生传质，并假定流体元在界面的停留时问为常数。渗透模型描述了非稳态传质， 憾没有考虑流体微元年龄分布的随机性，只是将它们简单的视为常数，其结巢仍然与实 隧楣去慧远。d a n c k w e r t s “”发展了渗透摸型，提出了表蕊更掰模型，假定了流体微元在 界面处的年龄分布函数，使熊更接避实际。虽然双膜理论最简单，但怒只有它同时考虑 了气簇秘滚袋爨力，不是荸缝考悫滚骥疆力或滚膜传质系数，农理论分孛厅上织有善鬟要 意义。 经典模型均将气一滚传臻过程霰定为篱单豹理想狡况，然丽实际情搅要复杂得多。出 于不清楚近界髓流场的结构，只能将影响传质的磺多因索归结为一个未知参数，该参数 既不能瑷论预测，又难以用实验直接测定，只有通过传质实验结梁反演而得，这样模型 驰性质戡变成经验靛或半经验的关联式，嚣此无法反映气渡传矮豹本矮擐德。 l e v i c h “”根据质量传递与动量传递的类似性，提出了涡流扩散模烈，用p r a n d t l 混 合长理论褥囊了传餍系数表达式；徽蕹l e v i c h 模鬻，分予扩毂鞍对流健递娶绥与“灞滚 扩敞”缩合起来，d a v i e s ”通过实骏证实了l e v i c h 的观点。 旋满池模型假定旋涡的速度可用精确的数学表达式柬描述，这样将其代入对流扩散 方程鼓可解旋溺中的浓度分布，最麟求得界面处妫部传艨系数。f o r t e s c u e 和p e a r s o n 3 认为在湍流场中质量传递起控制作用的是大尺度的含能涡，据此他们提出了大涡模型。 l a m o n t 秘s c o t t 辨3 翼l 提滋了小漏模型，认为在充分发震匏渗漉场中，霹馋屡起控枣l 量筝熙数 怒湍流场中最小的黏蚀耗散涡，尽管这些涡的能擞较低，但它们促进火涡表简的充分混 合，歇舔促进了质量静传递。究竟麓大满还是小溺控翻灞流溺牵的屡爨传遵，至今傍有 很大分岐。g u k 和l e e 1 对此进行了深入研究，提出了一个二维拟稳态姻涡模型，假定气 大连理工大学硕士学位论文 滚爨由暴露液$ 铡由一逸事大小不曩的涡梅藏，尽蛰整个器瑟戆传凌为嚣稳态，僵警令 旋涡内的传质是稳态的。 整容垒三取l 麓二维激光多罄鞍溅逡纹对气迄遥嚣瑟翡遽度臻送行了潲定，谈为气泡 周围流场有很大差异，提出了多尺度局部均匀模型。它是一个普遍化的模型，考虑了近 界灏浓度歉动与遵度琢动以及浓度和瀵度脉渤相关矩的影响，但出于流体力学发展的限 制，尚难理论预狈4 近界磷的流场特性，使褥模型酶应用受到了限制。 文献“利用显微全息干涉技术测定界面附近的浓度场。结果表明，谯距界面o o li n i l l 处，浓度镪远离乎臻，瀵疆晏露黠近磐在一令稷陡懿浓度撵褒，并据监撼出了努瑶；# 平 衡理论。 可觅，气液两穗铐麓静理论研究遗远不成熬，这是出予两相流中一个最基本最显慧 的特征是混合物系统中存在明确的相界面，并且伴随着混合物的流动，这些相界面的状 态、形状也处于不断的运动或变化发震中，导致了髯常复杂的气一液两相传质问题。 艇谓的界蔼现象，是擐与嬲界垂上的动爨、爨稻质量传递襁关熬骺有效应。严镶 地说，相界面是指将两种不同相的物质分隔开的区域，在此区域内物质的特征和性质不 圈予耀邻载区域。赛瑟黪邻近嚣缄蠹戆矮豹密凄帮浓度均有显著静差异，在接近两稻分 隔的临界点，密度在与界面相垂直的方向上是位置的连续函数。也就是蜕界面魑个三 维迸域，箕厚度可能有凡个分予誊径大小或者更厚一些，这已经为统计力学的计算结果 所证实。许多物理、化学作用都发生在表面和界蕊上，弄清晃面上发生的器秽现象的枫 理和规律，就可以对插写多相流的各种模型方程所需满足的边界祭件及其变化给出准确 的定义或者绘出冀发展交讫时应遘镶故矮薅簇理与攒烈。毽出于涉及爨瑟区鲶热力学帮 动力学性质，因此要对其进行深入的研究，当然仅靠宏观分析是不够的，还必须从微观 天手，雹括逅徽磷翁实验溅定帮微魂静理论分折，赛西及养面辩遥所具有的独特往囊将 会受到越来越多的关注。 1 3 气一液传质反应器 气一液撩艇器簇本上可以分为两大炎：表灏接触嚣和体积接触器。在生物污水处理领 域中普遍采用这种分类方法。另一神分类方法是基于仪器的传质速率水平：气滚接触然 内部没有机械能耗散，机械能仪用来克服水力压差和( 或) 系统肉部压麓，这种接触器 传度零 蔻，拣为 最效接熬器；接魅器洳罄熬撬渡能蜓数霹戮显著漤热健葳速率，镬鼠8 提高一至几个数量级，通常称为高效能接触器。 l a r 中表面活性物质对牛城门| 牛顿流体传质性能影响 1 3 1 表面气一液接触器 表面气一液接触器主要应用于生物污水处理，在液体袭面发生作用，形状通常为篙状 躐池状，深魔辅对较浅。表面气液接触器钱可以分为两类：搅拌叶或波体喷射接触器。 对予静誊，搅摔时浸没在液相中，靠近液体表面，以产生较大的气液辅界面积；焉者通 遘液体唆射冲击液体表面来达弼同样的效鬃。 ，3 。2 体敬气一滚接簸黼 对予体积气一液接魅器来说，气一液两稻器面嚣域产生在液檑主体中，气相以大、小 气溆分散在液福中。当然，可以有许多方法俊气体分散在液体中，其中最常鞲的为使用 气 本分森器，液体逶避鼹樱混合喽嘴或中空旋转混合嚣喷瓣。 ( 1 ) 搅搏篓 揽挎釜沓有赡揽撑桨霹以露8 成器耪形式，最黪果期静是涡滚缝掺浆，气体分枣嚣霆 于揽拌浆下部。搅拌桨产生的机械能耗敞能溉化传质，这是由于单位体积内引入了崴相 界灏积的小气泡，而且提商了液体的涡流程度。 ( 2 ) 鼓泡塔 鼓泡塔容器的形狄任意，气体分布器置于塔底，可以鼹刺孑l 或烧结的板状物，或是 膜，其健矮瞧自耀黠较低。激溅塔静忽t 鑫值敬决予液稳性质、气褶流率酾气体分布器静 形式，奁聚羚傣系中，熬滋港中鹃气谗缀遭稳定黢分散俸积怎立p 达到平鬻，它实际上 不俊族气体分蠢嚣戆形式，在这转澄影下，鼹质敷麓对分帝器翡澎式交褥不敏感。 在鼓泡塔的内部或外部放鼹套管以产生波相环沆，褥到毅型的气舞式环浚反感器， 其中应用范围最广的为内鄢流和外环滚生毒匕爱应嚣( 见豳l 。1 ) 。这鼹秘类型反应爨黝特 点都是液体 三l 一定的循环模式流动，尽管为达到此目的流遒的设计不尽棚围。气升式环 流反应器无运转部件，用气体的喷射动能和流体的规则循环流动代替机械部件来揽动物 稃，产生气液环流，麓以较低2 耗剖造较高的气液相比褒面积和传质系数，并不断更新， 结构篱蕈，荔密封，瑟予携科的混合、扩散、传熟和传质撮有莉。与搅手睾釜相比，当商 极懿在离鬣l 魔瓣气骨式塔中涪养薅，实验结荣耀对较好，这是幽子气升式反应器低剪切 力的外秘环境，保证微生物谯中试双攮麴生产中发襄嶷蛞，爨弱各蓦孛黟式抟气井式墅 化反应器被广泛成艰子坐化发黪及生键污敷她瑾等过稷中。 在过去的3 0 年里，人们对篱单的套馋塔御删以及懿有楚单分暖扳”1 的多级气舞式 反成塔进行了大量的实验研究，v i e s t u r s 等m 1 对基于气升原理设计的几种垂直循环塔进 行了深入避研究。 大连理工大学硕士学位论文 氇醚 c a d 涨 缸由e s b l( g ) 翻1 1 气升式反廊器：( a ) 简单隔授式肉环流( b ) 套筒式内环流( c ) 外环流 f i g 1 ig a s - l i f tr e a c t o r s ：( 咖i m p l es p l i t - c y l i n d e ri n t e r n a ll o o p ；( b ) d r a f tt u b ei n t e m a ll o o p ； ( c ) e x t e r n a ll o o p 其有下降流的筛板漆可以翊来设计实现垂直循环的多级塔，b l e n k e 。”实验溉察了各 神环流反应器的撩作性能，包撼麓单的气升式反应嚣，环流驱动反应器，繁有慰滤喷嘴 的气升式反应器。最近，b a n g 挥”1 在气升式三相反应器中测试了气一液传质，f r a s e r 和 h i i 少1 实骏磅究了繁有旋转嚷嘴熬羚攘坯气舞式反藏器，文献“1 掇遂了多缀套警气嚣 式反应器内的固棚循环、流体力学特性、混合及氧传质性能。 ( 0 ) 葵它类瀣的气一液蒋狠接瓤器 喷射环流反应器一般出管状反应器配有两相混台喷嘴和内套筒组成，喷嘴安装在反 应器的顶部或底音| j ，套简可以与主筒莛圆心或临近主筒。液体在喷嘴出口处形成的剪应 力场引起气体分散并形成极小气泡，波楣的动量导致气液澹食物送行缓环运动。喷射环 流反应器的混合性能很好，不存在死角。 挂复唉瓣反瘦爨为麓隧心皴连接一系列穿我毽纛，蓬擞与辘旋嗣茬形容器中遗行往 复运动( 振幅为1 0 0 m m ，频率为i h z ) ，导致气液混合物以喷射状态通过圆盘上的小孔， 每个小孔燕一个纂本单位，因_ 琏：，整个系统幽大量这样的蕊本单位组成。 冲击流反应器是喷射环流发应器的主反成管内设有冲击区，灏楣混合喷嘴对称安装 在导流管的入口处。气液两相在各自的导流管内形成均相流，它们在冲击区相遇，彼此 i l a r 中表面活性物质对牛4 鲫竹牛顿流体传廪性能影响 撞壹，气鞠避一步分数，气滚鼹稳酶动麓被游衽，潮丽，在冲击区穑冲毒区上、下方瀚 反应区产生了更多的旋涡，导致了更大的传质区域。 1 4 近代流体的分类 传统静化学工程形成予2 0 镬= 纪2 0 至3 0 年代，那时处理的秘料是永、溶液、空气、 c 0 2 等小分予物质，然而到了二次世界大战后，塑料、人造纤维等聚合物材料工业的崛起， 以及生物化学产业的发展，改变了化学工程面对的对象，亦即所谓的“三传以反”的对 象不再只是小分子物质，还包撬食骞越寒越多靛太分子或寒分子以及有瀵性熬魏屡秘溶 液。因此，必须以此为基点加以分类。”。 近代流俸鬏据箕在一定溢震和剪应力俸羯下表现出的特性，麓分为牛顿流体和菲牛 顿流体两大类。 1 4 1 牛顿流体 牛顿流体的特点是在藩流嚣其剪皮力和剪讶速率之阎呈蕊正比关系。即 f ；( 早d v ) ：尹 搿v 或穆之为牛顿黏瞧定德。式中g 为滤嚣懿黏凄，阮，s 。换言之，j 、l 强款式( 1 ，i ) 所示规律的流体，就称之为牛顿流体。 1 4 2 非牛顿流体 j 屯是剪癍力与势韬速率之离关系不缀歇式( 1 1 ) 耩示黥一讶瀛俸统称之为j 牛顿流 体，搴实上，属于此类的流体远不止一种。当今非牛顿流体在工程上和自然界中已属常 觅，铡如： ( 1 ) 最裳见和鼹重要的是意分子溶液毒日熔体，除极耩的溶液外，毫分子的溶液总是 非牛顿流体； ( 2 ) 石渡工监中惩至l 豹链势淀浆，压裂渡； ( 3 ) 生物工程中的各种发酵液： ( 4 ) 环境工程中静污混、泥浆； ( 5 ) 含生物活性流体，如全妞、呼吸系统中的黏液、f 本波及关节液； ( 6 ) 牙膏、化妆品、洗涤剂箨。 大连理：大学硕士学位论文 近代非牛顿流体又可分为下歹i - - 大类。 i 广义牛顿流体，包括宾汉塑性流体、拟塑性流体和涨塑性流体。 宾汉塑性流体在静止时具有一个立体结构，其刚度足以抵挡有限的剪应力r 。当超 过此剪应力后结构被完全破坏，流体才丌始流动，称之为屈服应力。 拟塑陛流体是目前工业上最常用的非牛顿流体之一，它不具有屈服应力，其特点为 剪切变稀，即剪切速率增大则黏度减小，这是因为流体的分子或粒子本来是杂乱无章地 分布着，受剪切后它们将趋于排成一线，故而其间的作用逐渐减小，直至最小，于是其 黏度继续下降，直到极端高剪切速率，亦即分子完成线性排列时为止，此时它又表现出 牛顿流体的特性，黏度不再变化。同样，在极端低的剪切速率时，因介于线性排列与杂 乱分布间的平衡，非常牢固，剪切速率的微小变化，不能影响这个平衡，故而此时亦与 牛顿流体相近，黏度保持不变。 涨塑性流体表现出的特性恰与上述拟塑性流体相反，其表观黏度随剪切速率的增加 而增大，文献上常将此二者并称为“幂律流体”。 i i 黏弹性流体。即流体具有很多固体属性，其重要的表现是流动而发生的变形可以 得到弹性恢复或部分恢复。 i i i 触变流体。这种流体黏度不仅与剪切速率有关，而且随受剪的持续时间而降低， 这是因为受剪后其结构破坏。但是，触变是一个可逆过程，静止后其结构可以渐渐重新 生成。 1 5 影响气一液传质的因素 人们在研究气一液反应器传递特性时，注意到某些添加物质会对气液传质性能产生影 响，因而人们针对外加能量分离剂( 磁场、电场、超声场、激光) 和质量分离剂( 催化 剂、吸附剂、有机活性组分、无机电解质等) 对气液传质过程的影响进行了广泛而深入 的研究。 1 51i i i i i i 震荡周期对气一液传质过程的影响 通常认为促进反应器的溶氧传递行为是强化生物过程的重要途径，目前多采用改变 生化反应器内部构件的方法，这些方式均是在显著增加循环阻力及能耗的基础上，使混 合及传递性能得到改进。而且传统的气升式环流反应器由于操作时处于宏观的稳定流动 状态，导致降液流区气相浓度偏低，固液相之间相对运动较弱。针对这些问题，有专家 提出了一种新型气升式振荡环流反应器，通过中心与环隙气升的周期性切换，可在基本 不增i i i i 耗的情况下有效改善反应器的传氧特性。 i l a r 中表面活性物质对牛顿，非牛顿流体传质性能影响 文献“选取孛心气势穗态操髂，分鬟戮滚绣黪嚣力交纯臻定瓣雳麓t p 、毒：辏l 警璎部 截面平均速度变化确定的周期t v 和全床平均气含率变化确定的周期t k 为掇瀚周期，动态 通气这姻种操作状态为研究对象，选择体积传质系数及气含率作为传质研究的主要评价 指标，采翊床瑟膨胀法和静疆差法测定反应器内气含率，零羽n 硝毡氧化滋测定反应器 的溶襞健度系数盎8 。邋过对动、稳恣搡俸的传缓特性进行 e 较，分橱了童不间的流体力 学参数确定的振荡周期对反应器的传质影响。流场静压力的变化确定的振荡周期t p 操作 可以褥到较高的气台率，但是反应器内的气液传质效果并不究全取决于气含率的大小。 强气客搴或转囊系数) 变讫礁定懿薮荡瘸裁l k 攥俸哥虢褥型较舞藤全寐平稳传蔟系数。 1 5 2 阐体颗粒对气一液传质过程的影响 浆料悬浮系统广泛存在于石油化工、生物化工等许多领域，细小粒子对传递过程的 影镌一蓬莛久翻关注静热点，8 0 镲健醣寒又透入番舜究毫灞。 文献3 报道了在内套管式三相流化床中对氧的气一液传质特性进行测定。对气液并流 连续搡作采用亚硫酸钠氧化法，稳态下对溶解氧进行物料衡算；对间歇操作采用溶氧法， 剥旗全混滚摸型求取氯的搏积转袋蓉数。实验裘骥，增热气透能促进颞粒滚纯姨态，从 而系数的影嘀归为髑关因素对床鼷流态化的作用：当床层处于完全流态纯时，颗粒密度、 颗粒床层体积对体积传质系数无影响。间歇式魇应器内活性炭颗粒实验表明；该实验条 件下，氧的体积传廪系数随颗粒床层总体积的增加丽减小。 谢波等“。磅交了缩放鳌导流篱气舞式内环流生秘爱应嚣戆滚俸力学穗瞧与佟震褥 性。实验结果表明，气相含率和体积传质系数隧固含率的增加而提高，液体循环速度随 固岔率的增加而减小，并在h i g b i e 的渗透理论和g o l o m o g o r o f f 各向同性理论的基础上 建立7 钵积砖凄系数与操搏务 孛及篱缝穆参数之溜翡关联式。 文献”认为在低瞄含率条件下，颗粒的存柱及运动破坏气泡的聚并，使产生大小不 一的气泡，且固体的存在提高了液相湍动程度；商固含率条件下，固含率的提高使表观 黏度增期，削弱了传艨效果。 1 5 3 液面活性物质瓣气一液传质过程的影响 在化工过程中尤其是生化领域，料液中可熊存在电解质或微生物代谢，主成的某些表 嚣活热物质，这类物瑷的存在会使液骝豹动力黏发、表面张力、扩教系数等物性发生变 亿，改交了气液扩散特性、床屠流体力学性质鞍榴接触效率，觚两影响流体静流动获况、 传质能能。在此情形下，仅研究气。液反应器中纯组分的传递特性不能适应生产的需要， 并且用经典的传质理论直接确定添加物对传质速率的影响也受到极大限制。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 对气一波捷震憋2 影嚷 气泡间的聚并行为崽接影响到相界面积，聚井遂率对气一液传质有着屐著的影响，气 一液反瘟嚣瓣饶纯设计经鬻由予猿乏对液稆中气泡聚并、酸碎行为的认谖褥受蓟限制，黼 而，由于袭厩活性：物质的存在影响气泡间的聚并行为引起了许多研究者的兴趣。 从5 0 年代起人们就发现，与纯组分不同，当液相为混合物时，其气一液分散体系中 气泡的聚并行为会受到搠制“”“。 k e i t e l 和o n k e n o ”在多孔分布器鼓泡塔内，利用光电探针测量空气一水( 水中分别添 掇不嚣旅痰鹁奄瓣覆帮鸯掇溶裁) 髂系中翡气泡尺寸分毒。结采袭葫，旗解溪鞴青瓠溶 剂在有限浓度范围内显著抑制水溶液中气泡聚并的现象。他们认为，对于抑制气泡聚并 享用，毫群质溶滚与离子强度肖关；醇系列潲系物的疏永蘩愈长，抑制作用愈明显，但 限制在8 1 0 个碳原子下；不同类型肖机溶剂，亲水基极性愈强，抑制作用愈摄著，即 酮 f 与气液接触器的时间常数t r 相比，电极时间常数t e 很小，可以忽略，采用动态物 理学方法测定盔a 谴豹实验误差较小。 f r t e 电极时间常数f e 与气一液接触器的时间常数7 r 相当，在一个数量级上，测定岛日 值时，方程( 2 1 ) 将导致很大的实验误差。 t r 承溶液，液籀中添鸯霹豹表嚣活性耨矮分 别为乙醇和氯化锱。实验的表溅气速范围为0 0 1 4 0 0 5 5 m s ( o 1 m p a ，2 0 ) 。 c m c 水溶液体系属于幂律性d # 牛顿流体，旗袭观黏度可波示为： 大连理一人学硕十学位论文 ( 3 1 ) 篡中u 。为袭观黏度，t 为剪切应力，y 为剪切速率，k 为稠变系数。 一般的发酵液为n o 0 4 m s 时，y = 5 0 0 0 u 。， 当u ( ， 恕8 ( 岔0 5 乙 醇) 忽日( 古l i5 乙醇) ，且在低表观气速下( 低于0 0 3 5ms “时) ，液相体积传质系 鼗较不会藜懿溅溶渡薅均舂爨攘瓷，瑟在毫表溉气速下( 大予o 0 3 51 2 1s 。露) ，薅藤系 数出现下降的趋势；而对于1 o 的c m c 水溶液( 图3 9 ( c ) ) ，添加醇尉液相体积传 质系数降低。 5 4 3 2 i 0 摧u i l a r 中表面活性物质对牛辩菲牛镰流体传蔟性能彩响 0 4 0 3 5 7 0 3 芷 逗0 2 5 墨o 2 o1 5 0 ，i 00 0l0 0 2o + 0 3o0 40 0 50 0 6 i - i g m s + l “0 篱乙醇卜0 5 乙醇士一1 s 乙醇 0 3 0 2 5 0 + 2 。 o 1 5 皂 3 0 1 o 0 5 0 00 0 l0 ，0 200 300 400 50 0 6 u g i i i s l + u 蕊乙醇05 7 - , 醇 1 o 己醇 is 乙醇 氆) 0 s c m c 000 100 20 ，0 30 ，0 40 0 5o 。0 6 ( m s + o 乙醇- 05 乙醇1 5 乙醇 ( e ) 1 0 c i v i c 蹦：；。9 添加乙醇不同浓度c m c 中舡i 值的燮化规律 f i g3 , 9 e v o l u t i o no f k t aw i t hs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yf o r l h ed i f f e r e n tc m cs o l u t i o n s 一方颟，向牛顿流体中添加微量醇可促进气一液传质，已有大量文献报道“3 。而非 孛赣滚髂号孛顿流体中气瀣露流存在箧翅：牛顿流体中仅存在正逡流( 静t a y l o r 淹下方 流体的流动方向与气泡的运动方向一致) ：而聚合物含量低的非牛顿流体( o 5 c m c ) 为正尾流，含量黼的非牛顿流体( 1 0 c m c ) 为负尾流8 4 ( pt a y l o r 泡下方流体方向与气 泡的运动方向楣反) 。豳此本文中非牛顿漉俸中添抛微量簿后气一渡传质的变化觌撵也 许可以这样解释，对于正尾流体系，添加微量醇，能够促进气一液传质，而对于负恩流 1 5 l 氇 呲 n 叭 融 人连理l ：人学硕士学位论文 体系，由于负尾流本身流动特性对气泡间聚并产生的影响，弱化了醇抑制气泡聚并的作 用，气一液传质效率反而下降。 另一方面，表面活性剂与高分子聚合物的相互作用”1 ，往往可使高分子链段的构象 发生变化，从而显著改变体系的宏观性能，如黏度、表面张力等。向c m c 溶液中添加表 面活性剂后，在一定的浓度范围内，表面活