鼓泡塔气相特性及返混特性测定实验

1、一、实验目的1. 了解鼓泡塔的结构和操作方法；2. 测定鼓泡塔的气含率& G,气体比表面a,返混程度参数Pe等。二、实验原理1. 气含率气含率是表征气液鼓泡反应器流体力学特性的基本参数之一。它直接影响反 应器内气液接触面积，从而影响传质速率与宏观反应速率， 是气液鼓泡反应器的重要设计参数。测定气含率的方法很多，静压法是较精确的一种，基本原理由反应器内柏努力方程而来，可测定各段平均气含率，也可测定某一水平位置的局部 气含率。根据柏努利方程有:(1)gc dpLg dH采用U型压差计测量时，两测压点平均气含率为:当气液鼓泡反应器空塔气速改变时，气含率G会作相应变化，一般有如下关系:2 uG

2、(3)n取决于流动状况。对安静鼓泡流，n值在0.71.2之间；在湍动鼓泡流或过渡流区，ug影响较小，n为0.40.7范围内。假设lg G lg k n lguG根据不同气速下的气含率数据，以1g g对nlguG作图标绘，或用最小二乘法 进行数据拟合，即可得到关系式中参数 k和n值。2气泡比表面气泡比表面是单位液体积的相界面积， 也称气液接触面积、比相界面积，也 是气液鼓泡反应器很重要的参数之一。 许多学者进行了这方面的研究工作， 如光 透法、光反射法、照相技术、化学吸收法和探针技术等，每一种测试技术都存在 着一定的局限性。气泡比表面积a可由平均气泡直径dus与相应的气含率g计算:6 GdusG

3、estrich许多学者的计算a的关系进行整理比较，得到了计算a值的公式:a 26.O（H°）0.3 K0'003 g其中K-液体模数：K方程式适用范围:UGO.60m/s2.2 鱼 24 D5115.7 10 K 10因此在固定气速UG下，测定反应器的气含率& G数据，就可以间接得到气液 化表面a。Gestrich经大量据数比较后确认式（7）的计算偏差在15%之内。3、鼓泡塔液相返混特性描述返混的数学模型很多，较简单实用的是一维扩散模型。一维扩散模型的 数学表达式：1* 2cccPe z2zPeUHDax(8)(9)式中Pe为彼克列数，描述返混程度的模型参数。对式(8

4、)求解:定解条件：实验采用脉冲法加入示踪剂，在上游处测定示踪剂浓度，闭式容器，列出如下定解条件：取 c f (z,)初始条件：c( z,0)0边界条件：C(O, ) sc(,)有限量用Lap lace变换解得：/、 PePe 2c( )3 exp 1234(10)估计模型参数Pe :估计的方法有多种，如矩量法、传递函数法、拟合法等。本实验采用矩量法，需用到如下两个定义:浓度c( t )的一阶原点矩:M10 c t tdt0 c t dt(11)浓度c(t)的二阶中心矩:M20 c t t t?dt由式（11 ）和式（12）,可导出如下方程:2(13)2 c 1“Pe2 1 Pe Pe实验测得c

5、（t）与t的关系数据，由式（11 ）求得？由式（12）求得t2，通过（13）求得Pe的值。三、流程及设备的主要技术数据流程图：（见图一）1 水箱，2 水泵，3 空气压缩机，4三通阀，5空气流量计，6 空气进量控制阀,7 阀7，8 示踪剂储罐 ，9 测孔，10 压力表，11 空气进料口 ，12 示踪剂进 口，13 鼓泡塔，14 电导电极，15 电导率仪，16 计算机采集系统 ，17 溢流管，18 压力传感器 ，19 阀19 ， 20 压差表 ，21 流体分布器，22 放液阀，23回流管阀，24 放液阀，25 液体进料口 ，26 液体流量控制阀 ，27 液体流量 计如图一所示，示踪剂缓冲罐内配有饱

6、和的氯化钾溶液鼓泡塔：塔高2m,反应器直径为200mm,气体分布器采用十字型，并有 若干小孔使气体达到一定的小孔气速。反应器用有机玻璃管加工，便于观察。反 应器壁面沿轴向开有一排小孔与压力传感器相连，用于测量压差。四、实验内容和操作步骤1、气含率及气泡比表面的测定（1）系统接上电源，打开总开关，开启水泵后将清水加入反应器床层内，至一疋咼度（约1.5m ）o（2）检查一下压差表读数是否为 0，如果不是则应该打开与压差传感器相 连的铜管上的阀门1将水铜管内充满了水（排除掉由于零点漂移所造成的误差）。（3） 固定液体流量在一个适当值，本实验可取水流量值为200L/h,并通过 空气流量计阀门调节进气量

7、。（4）观察床层内气液两相流流动状态。（5）等待压力表读数稳定后记录各进气量下的压差值。（6）改变气体流量，重复上述操作（可以做 6-8个条件）。（7）注意事项：在进行鼓泡塔气相特性测定时应保证阀 2全开（回液阀门）， 阀3全闭（放水阀门），阀4 （回液阀门）全闭，阀5全闭（密闭容器与压缩机 相连的阀门）。（8）记录下压差值后安实验所给公式计算处气含率和气泡比表面。2、返混特性参数Pe数的测定（1）启动数据采集系统，使其处于工作状态。（2） 将阀门5微开，使得的示踪剂储罐上方的压力达到 0.1兆帕左右，在开 启电磁阀通入示踪剂之后即可将阀 5关闭，泄压。（3 ）取实验数据：待系统稳定之后（即空

8、气流量、水流量稳定在预定值） ， 命令微机采集数据，启动电磁阀注入示踪剂。采数结束后，采集软件会自动进行 数据进处理，并输出结果一TD （数学期望），DD （方差）和PE （彼克列数）。 维持空气流量不变，改变水的流量，取实验数据。（本实验中可取空气 流量为1m3/h,水的流量分别取为 60，100，150，200（5）每一水流量条件下，重复两次取数据，使 PE值的相对误差W 5。然 后改变水流量进行下一个实验，完毕为止。3、实验完毕后，关闭空压机、真空泵、进水阀门、电导率仪、微机系统等仪器 设备的电源，并将所有仪器复原。五、注意事项1）试验开启应该先通水，到一定位置后约 1m左右，开启压缩机

9、鼓气。实验开始时应保证与静态压差传感器与直径为 0.8mm的铜管相连，避免了 弹性效应，并且以要在铜管内充满水，这样铜管内无液体流动，从根本上消除了 “呼吸”作用，使铜管中无气泡进入，保证压差测量准确性。2）应该在固定操作条件一段时间后，反应器稳定后在读取压差表的读数（这 里的稳定指的是瞬态稳定，即压差表的读数在某一个范围内呈稳定波动即可）3） 在测定鼓泡塔内气相特性时将示踪剂储罐下方的进气阀 7关闭；等到开 始测定返混特性时应将此阀7微开使示踪剂储罐内压力升至 0.1兆帕左右即可， 示踪剂打入后要关闭阀7。4）测定返混特性时将鼓泡塔装置下方的回流阀 23 , 24均关闭，放液阀22 打开：保证加有示踪剂的液体不回流