鼓泡塔气相特性及返混特性测定实验

鼓泡塔气相特性及返混特性测定实验 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ε，气体比表面a，返混程度参数Pe等。 G 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： ,,gdp,,c (1) ,，,1,,G,,,gdH,,,,L 采用U型压差计测量时，两测压点平均气含率为： ,h, (2) ,GH ,当气液鼓泡反应器空塔气速改变时，气含率会作相应变化，一般有如下G关系： n ε? (3) uG G n取决于流动状况。对安静鼓泡流，n值在0.7～1.2之间；在湍动鼓泡流或 u过渡流区，影响较小，n为0.4～0.7范围内。 G n假设 ε uG =kG (4) lg,,lgk，nlgu则 GG (5) 1g,ngu1根据不同气速下的气含率数据，以对作图标绘，或用最小二乘法GG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。 ,d与相应的气含率计算： 气泡比表面积a可由平均气泡直径Gus ,6G (6) ,adus Gestrich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： H0.30.0030 (7) aK,,,26.0(),GD ,,LL其中K-液体模数 :K,; g,L 方程式适用范围： u?0.60m/s G H0 2.224,,D 511 5.71010，,,K 因此在固定气速u下，测定反应器的气含率ε数据，就可以间接得到气液GG化表面a 。 Gestrich经大量据数比较后确认式(7)的计算偏差在之内。 ,15% 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： 21,c,c,c,,, (8) 2Pe,z,,,z UHPe, （9） Dax 式中Pe为彼克列数，描述返混程度的模型参数。对式（8）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： c,f(z,,)取 初始条件：c(z,0),0 ，，边界条件： c(0,,),c,1 c(,,,),有限量 用Laplace变换解得： PePe,,，，2，，(,)exp1,c,,, （10） ,,3,,4,2,,,,，， 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： ,，，cttdt,0ˆM,,t （11） 1,，，ctdt,0 ? 浓度c（t）的二阶中心矩： ,ˆ，，，，ctt,tdt,0M,2,，，ctdt,0 （12） ,2，，cttdt,220ˆ,,t,,t,，，ctdt,0 ˆ式中：—数学期望； t 2, —方差或称散度。 t 由式（11）和式（12），可导出如下方程： 22,21,,2Pet，， （13） ,,,,21,,,,,2ˆPePet,, 2ˆ,实验测得c（t）与t的关系数据，由式（11）求得t，由式（12）求得，通过t （13）求得Pe的值。 三、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， 至一定高度（约1.5m）。 （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。 (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—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?,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水储槽中，并应保证不断有新鲜的物料加入 水槽中补给物料。 六、实验数据记录与出理 实验 气体流 εg a uεg％ 气体压差(Kpa) g3序号 量（m/h） 液体流液体模数 n k 静水压差(Kpa) K 量（L/h)