【doc】气—液—固三相磁场流态化床气泡特性及液相返混

【doc】气—液—固三相磁场流态化床气泡特性及液相返混 气—液—固三相磁场流态化床气泡特性及 液相返混 第6卷第2期 I990年6月 化学反虚工程与工艺 Chemica[ReactionEnginceringandTechnology No..V.6 Ju13~.1990 气一液一固三相磁场流态化床 气泡特性及液相返混 翁达聪韩宇欧阳藩 巾回科学院化工冶金研究所 摘要 在含磁性固定化细胞载体一海藻酸钙凝腔粒F的气髓固三相磁场流化床生物反应器内,实验现察,恻定 丁低气液速下反应器的气沲特性,相含率及液相返混.得到了磁场强度,气速,蔽速对局部气含率,气泡速度, 直径分布概率影响的关联式.提出了合理的磁场分布叛Jfj式及经修正的液相混台模型 关健词:三相流态化,相含率,气泡特性.停留时间分布' 一 ,前言 气?液一固三相流态化技术是流态化技术研究中的重要内容之?.对三相流化床施加一磁' 场力,不仅可以保留气一液一:相流化床内物抖混合均匀,相间接触面积大,易于传质,传热, 固体颗粒易于更换等优点,而且可在较高的流体流速下操作[I;限制相间的返混和 气泡长大, 增强气一液界面的传质] 为了进行合理的放大,设计,已有许多研究者对气一液一固三相流化床,气一液一固三相磁 场流化床的流化特性,传热,传质系数,相含率,气泡破碎机理等规律进行了研究0].然而对. 于使用轻固体颗粒(比重略大于液体),低气,渣速的气一液一固三相系统研究的甚少.本文针对 生物反应速度慢,要求液相停留时间长,而固定化生物催化剂粒子密度低的特点.利用液相示. 踪技术及微型电导探针测试技术考察了含磁性固定化细胞载体——海藻酸钙凝胶粒子的气一 液一固三相磁场流化床生物反应器的气泡特性,相含率及液相返混.由实验数据获得了磁场强 度,气速,液逮对局部气含率,气泡速度,直径分布概率影响的关联式.提出了经修正的液相混 合模型.为三相磁场流化床生物反应器的放大,设计提供了一些依据. 二,实验结果与讨论 联系人 第2期气液一j相磁场流态化床气泡特性及液相返混 2.I实验设备 图1为实验装置,由直径1.7mm的铜漆包线绕4OO匝制成的磁场线圈安置在三相磁场流 化床底部.为绐磁性颗粒"槊桥提供支撑.并增强磁感应强度.在床主体内靠近线圈中部加一 孔径为6mm的铁丝网.从而形成一磁场分布板MDP(MagnetieDistributorP/ate).磁场线圈由输 出电压在0,30伏连续吖调的直流稳JE电源烘电 2.2低气液蘧下三相磁场流化床的流化状态 马兴华等在研究液[占1均匀磁场流态化床l坤 曾发现,在液速维持一定时,流化床甚随磁场强弱 l的变化呈三种流态化状态:散流床,链流床和磁聚 床.在采用磁场分布板MDP的三相磁场流化床 中,由于磁场分布的不均匀性,在床层中同时存在 着这三种状态{在线圈内靠近铁丝网区域,颗粒聚 为一体处于磁聚状态,类似f固定床层在线圈附 近颗粒措磁场方向成链流状态,在离线圈较远处. 由于磁场的影响显着减小.床层呈正常流化.即激 流状态.其三种流化状态区域的大小决定于磁场 的强弱.,I .在实验中采用柏藏体表观速度远低于海藻酸 钙凝胶粒子的起始流化速度.故气相为主要流化 相而气相在球内的轴向混合较小,一般可认为处 于活塞afar态实验表明,平均气岔率随表观气 逮的增加而增大.在实验条件下,由于MDP压降 沿径向分布的不均匀性及气泡聚井等现象导 致了气泡直径,}:升速度及局部气含率沿床 层藏面的不均匀分布.图2即为局部气含率 的径向分布局部气古宰沿廉屠径向分布是 不均匀的但表观液速对局部气含率的影ll州 不未.随M呻磁场强度的增加,局部气禽率 分布趋予均匀r但当磁场强度超过12A奥斯 特质,气畲率分布翼J更不均匀了,这可认为磁 场强度的增强使得MDP沿径向的压降分 趋向不均.在一0处压降晟小,气相集_}1山 压降小处通过周此,参考胡宗定等..:关f 的分布表达式我们用式: 一n,(1一)(1) 图1实验装髓 嘲2局部气台率的衽向分布 来表达三三相磁场流化床中局部气含率的径向分布式中为床径,液相粘度,磁场强度II及 颗粒相对磁导率等的函数.在床径,液相粘度等参数不变的条件,由实验数据回归得: . 一(L.878—0003船,,)磊(1一)..,t(2) 82化学反应工程与工艺1990年 由图3.知在一定的范围内表达式(2)与实验结果较为吻合. 床层固含率的径向分布曲线由光导纤维空隙率仪测出(图4).其积分仪读数N代表了相 鹰测试点的固相含率,由于没有排豫气泡对光的反射作用故所测结果仅为甩?表示的固相含 率滑径向变化的相对值. 【可3表达式(2)与蜜验结果的比较图4局部固含率的径向分布 由图4知,与局部气含率相对应,局部固含率在径向上的分布也是不均匀的在床中心位 固含率晟小,在床壁附近固含率最大其原因在于:在床中心附近MDP压降最小,强烈的聚 结鼓泡?较大气泡的迅速上升引起了颗粒的强烈扰动,使该处的颗粒浓度下降.而床壁附近气 泡较少,气速较低,为分散鼓泡区故颗粒浓度较大.因此,为减少液相,固相返混,控制气泡大 小使局部气含率,固含率趋于均匀分布状态三相磁场流化床采用炉栅型的MDP为好. 2.3三相磁场流化床的液相返混 用阶跃式液相示踪技术考察了磁场对三相流化床液相停留时间分布RTD的影响实验所 得的r曲线如图5,所示 对三相流化床来说,液相返混的主要原因是床截面气含率分布不均匀性和聚结鼓泡区气 泡的扰动.因此,气泡尾涡,表观气速,液速,固体颗粒的大小及密度,床径等对液相返混都有较 犬影响.许多研究卉趋向于用轴向混合扩散活塞流模型来描述三相流化床的流体混合…]. 在本实验条件下,由于渡速较低,气相为主要流化相,床层操作条件类似于鼓泡塔.因此, 液柑返混状态与文献的报导差别较大.由图5知,停留时间分布函数()曲线更接近于全混流 模.考虑到混合效率的影响,在采用阶跃式液相示踪技术的条件下,作示踪物料的物料衡箅, 稳态流动中可得出: F()一I—exp(一,/l))(3) 式中即为混合效率的量度.将实验数据代入式(3),即可求出不同实验条件下的混合效率. 混台效率与磁场强度,气体体积流量的关联式为: 一 (0.2852+0.00004]9H)q7(4) }}1于日小于1._?丁知由于气体的聚结鼓泡现象造成了液体的短路.随磁场强度与表观气速的变 化,卜j局部气含率类似.随磁场强度的增加液体的短路现象有所改善,但磁场强度超过一定值 时删短路义加了,图6.为三相磁场流化床液相混合模型(3)的解与实验数据比较 第2期气一液一固三相磁场流态化床气泡特性及1暖相返混83 图5实验测得的F曲线图6混台模型式(3)的解与宴验结果的比较 2,4三相磁场流化床的气泡特性 三相流化床的气泡特性对决定三相流化床反应器的总效率是很重要的.气泡的大小,计 速度,气相含量决定了气一液传质的相接触面积,从而影响总传质效率. 在液一固磁场流化床中,被磁化的颗粒按磁力线方向有序地排成链状,磁势能位于最低 态.床层空间磁介质可认为是均匀的.一旦床层中导入气泡,由于气体的磁导率很小+磁力线偏 向气一液界面的法线方向.床层的有序态遭到破坏,导致磁势能升高,为恢复磁场原有的稳定 状态,磁性颗粒将按磁力线方向重新排列.正是这种使颗粒重新排列的磁场力使颗粒有"JL能进 入气泡而使其破裂.在三相磁场流化床中,由于气泡除磁场力外还受到表面张力,压力,曳力 等其他力的影响,当气泡所受合力为零时,气泡保持稳定.因此,磁场的作用是破碎大气泡在 一 定的磁场强度下,床内存在一定大小的气泡嘲,对本实验而言,由于MDP沿径向是不均匀 的,所以存在不同直径的气泡. 由实验观察到,小气泡(直径小于2ram)出现的概率随磁场强度的增加而增大.随表观液 速的增加而略有增加,随表观气速的增加而减少.但当磁场强度大于l25奥斯特时,虽然小气 泡出现的概率增大了,但大气泡的概率也有增大的表现.这与磁场强度增加时局部气含率沿径 向分布不均匀的情形是吻合的.由实验数据可回归出磁场强度,气体体积流量与小气泡 概率的关联式: 一 0-3056+000375H"j"一02393Q一."一000294H(5) 由于气泡直径与气泡上升速度存在一定的关系,因此.同样可得到低速气泡概率与磁场, 液流量的关联式. A一0.262+00l15H"一0.39750~'咖,0们757H.0g咖(6) 由此可见,磁场流态化可以限制气泡聚井,长大,破碎大气泡,降低气泡上升速度,从而增 加相间接触面+减少相间传质阻力 三,结论 1,利用电导探针夏光导纤维探头考察了三相磁场流化床的流动状态,床层局部固含率,气 含率沿床径向呈不均匀分布得到了局部气含率e.与磁场强度等参数的关联式. 0D 一^:?一5 化学厦应工程与1=艺1990生 2,利用阶跃式液相示踪技术考察r!相磁场流化床的液相返混.在低表观气速,液速的条 件下,三相磁场流化床的液相流动甓全混状态提出r修正的液相混合模型.得到了混台效率 系数]的关联式 3,用双电导探针得到了兰相磁场流化床内气泡直径和速度的慨率分布,得到了小气泡概 率与低速气泡概率与气体体积流量,磁场强度的关联式. 参考文献 捌采座.锉,化#撤,l988.39:l20 2WuYuanxian~cta1.FLt.IDIZATION'醐【CJF3j.1g期R 3ShahY.T..GL—SR~vaelorDesign.NewYork,979 1EpMein,N.(nJ.("ll1.Eng.I{j8l,59:619 5胡宗定.1定m.化r.1988.:2]20 _ 6捌宗止,jlII.化1挂1988,39:】53. 7Fan,LS..?a1.AICheEJ.1985,3I:l 8郭常.化1.商盒册程所顿l_睦史. g映RI蒋,甫史斯.他1冶金,?86:[1J:l3 0O~tergaard,K..?1.,ChernEngJ.197IJ.1』- Iham,A.EI-T..al,1nsJMUhiF?,lg,l:l9 CHARACTERISTICSoFBUBBLESANDLIQUIDMIXINGIN THREE—PHASEMAGNETICFLUIDIZEDBED WengDacongHanYuOuYangfan il~bo'mtoL2#fBio:~n,:Td酞|?删一hla'~rlcdeu}Ct,~nwa!\ ,l,~~etaflar~#,ACAI)EMtANIAleA一tChma} ABSTRACT Anewtypeofthree— phasefluidizedbedhasbeendevelopedbyuseofamagneticdistributorplate. {MDP).Thebubble— supportedsolidsoperationcharacteristicsoffluidizationwiththeliquidvelocity. belowthem_nimumfluidizationvelocityw孙 investigatedThecharacteristicsofbubbles.thedistribu— tJonoflocalholdupsandliquidmixingintheMDPthree--phasefluidizedbedwithmagnetical ginate' beadsac,thesolidphaseweremeasuredbytheconductiveprobeandtheopticalfiberprobe.Be cause thedistributionofmagneticfieldjsnoteven,thethreefluidizedregions— magneticaggregativestate— chainfluidizationandparticulatefluidization.wereinvestigatedinthebed.Therodialflistrih utionof localholdupsconformwiththeparabolicalcurve.Fhedistributiontoga1gasholdupswasw~1tde— scribedbytheformula- .一t1.878—0.0036811)(1一) Undertheconditionoflowergasandliquidvelocity— theliquidmixingwaswelldescribedbythe relation.shipofthemixingcoefficientandthemodifiedmixingmode1. ()一texp[(一/((0.28520.0000-.1I911)a90'2518)] 第2期气一禳一固三相磁场流态化床气泡特性及蔼相返混85 Itwasfoundthatthemagneticfieldmadeparticlespenetratingintothebubblesandbreakthem. andbothbubblediameterandbubblevelocitydecreasedwithincreaseofmagneticstrength.Therela— tionshipsoftheprobabilityofsmallbubbles(<2ram)andlowervelocitybubbleswereobtainedbased ontheexperimentalresult.~. Keys:Threc-Dbasefluidization,Phaseholdups,Characteristicsofbubbles.Residencetime disrtribution. 1990年全国化反应工程 学术会在成都召开 全国化学反应工程学术报告会于I990年4月27日至29日在成都科技大学举行. 参加会 议的代表分别来自高等院校,中国科学院有关研究所,设计院与化工企业共80余 人.会议共收 到90余篇.在大会报告的有55篇+其中反应动力学研究9篇,催化剂工程6 篇,生化工程 6篇,流态化工程8篇,聚合反应工程2篇,气一液一固三相反应器研究B篇,气一液 反应器研究4 篇,反应器动态研究3篇,反应器的模型,模拟及优化篇,反应器经济分析技术1篇,声 悬浮实验反应器设计及研究l篇,其他3篇.内容比较广泛度具有一定的代表性.既霄传统领 域,也有与其他学科相结合的新兴领域本次会议上关于生化反应工程与反应过程动态研究的 论文的比重比前几次报告会显着增加. 会议期间还举行了"化学反应工程发展方向"座谈会会上就我国化学反应工程学科发展 的现状及如何结合我国国情+处理好化学反应工程与化学工程的其他学科之间,反应工程与化 工工艺之间,反应工程与高技术学科之间以.及化学工程与经济分析之间的联系进行了讨论.大 家认为:当前我国化学反应工程学科发展面临严峻的形势,面临挑战也面临机遇,在研究领域 方面.国外不断出现新的领域而且发展很快,我们与国的差距受大了. 一 因此,会议希望我国化学工程的研究方向要重视与化学工程的其他学科的结合,如庋应精 馏,反应结晶,反应萃取等;要重视与生物工程,材料工程,信息工程,控制工程等高技术学科的 结合使化学反应工程的研究工作推向前站;同时要重视与能源,石油化工,高分子化工,电子 工业的结合加强聚合的反应工程,生化反应工程,催化工程,CVD技术等内容的开发研究.不 断开辟新的研究领域.., 会议期间,化学反应工程学科举行了例会,商定下届全国化学反应工程学术报告会于 l993年在天津大学举行. 沈庆杨供稿