三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究（可编辑）

三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究（可编辑） 三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究 第 卷第 期. .高 校 化 学 工 程 学 报 年 月.文章编号: ? ? 三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究 李绍果 ,一,薛天艳 ,齐 涛 ,刘长厚 .大连理工大学化工学院,辽宁 大连; .中国科学院 过程研究所,北京摘 要:多级环流反应器通常在段间安装多孔分布板或其它内构件,增加了流体流动的阻力,导致环流液速降低。为 此,今在多级环流反应器研究的基础上,设计了一种新型三段进气、多级环流反应器,利用新通入气体的抽提力和喷 射力,缓解了段间的流动压降,并加速气泡的破碎;重点考察了进气量在各段中的分配比例对分段进气多级环流反应 器流体力学的影响。应用多通道电导探针气泡特征参数测量仪和溶解氧分析仪分别测量气泡参数气含率、气泡速度、 气泡直径及体积传质系数。实验结果明:三段同时进气时,气泡直径明显减小,气液接触比表面积增加显著:体积 传质系数远高于多级环流反应器,最大值约为多级环流反应器的 . 倍。根据修正双膜理论,计算得到了三段进气时 体积传质系数的经验关联式,较好地反映出体积传质系数的变化规律。 关键词:多级环流反应器;三段进气;进气量比;气泡参数;体积传质系数 中图分类号: . ; . 文献标识码: : . . .?. . . .’。, ?,,. ., ,; . , , , : ,. ., ? ,, , . , . ??, . .? ..仃。 . . ? . : ; ; ;; .前 言 气升式环流反应器是从鼓泡塔发展起来的气.液、气.液.固多相反应器,它具有结构简单、操作方便、 能耗低、特别是不需要机械搅拌等优点,在生化、化工、能源及环境等领域得到广泛地应用。在环流 反应器中,气体不仅作为反应物,而且作为一种能量携带者,推动各相在床层内循环流动。环流反应器 可以分为单级和多级环流反应器,传统的单级环流反应器中,流体的混合与传质主要集中在气液分离区, 收稿日期: .. :修订日期: ? ? 。 基金项目:国家自然科学基金 。 作者简介:李绍果一,男,山东潍坊人,大连理工大学博士生。通讯联系人:齐涛,:. .高 校 化 学 工 程 学 报 年 月 混合时间较长、传质效率较低;而多级环流反应器利用导流筒分段、开孔等方式,形成多级环流,大幅 提高了反应器的混合与传质性能 。 多级环流反应器通常在段问安装多孔分布板或其他内构件,增加了流体流动的阻力,导致环流液速 降低。本文在前人工作基础上提出了一种三段进气、多级环流反应器,即在第二段和第三段底部均加装 气体分布器,利用新通入气体的抽提力和喷射力,缓解了段问的流动压降、加速了气泡的破碎,同时改 善了反应器内的流动与传质性能。本文主要考察不同的进气量分配比例下该反应器中的气泡特性与体积 传质系数,并在修正双膜理论的基础上计算得到体积传质系数的经验关联式。 气.液相间传质 在气.液反应宏观动力学中,气.液问的体积传质系数是一个重要参数,而气.液两相问的传质过程是 一 个复杂的现象,它与反应器的构型和物料在反应器内的流体力学行为密切相关。体积传质系数 是 液膜传质系数 和比表面积/的乘积。传统的双模理论将气一液相间传质过程简化为被传递组分通过静 止界面的分子扩散,忽略了气一液界面上张力梯度和浓度梯度引起的界面扰动,即效应和效应对传质的贡献 。刘德华等 】提出了一种修正双膜传质模型,在保留双膜理论假设的前提下, 充分考虑漩涡扩散对传质的影响,其液膜传质系数 的表达式为: ?? 式中, 表示测量时的反应速率常数, 是气相活性组分在水中的扩散系数, 为气相活性组分在溶 液中的等效浓度,在反应器结构及测量方法确定的情况下,这三个系数随表 观气速的变化不大;湍流传 质系数 代表湍动和界面扰动对传质的贡献,它的大小与两相流体力学状态有关,且可用表观气速的线 性方程表达【 ,即地。由于中第一项可近似看作常数,那么液膜传质系数 也可用表 观气速的线性方程表示:托,其中为式中第一项与 之和。 气泡大小对液膜传质系数也有较大的影响, 引、 研究发现,直径小的气泡对传质系 数影响较小。不同气泡大小时传质系数表达式为: 巩 .时 :. ,&一/ : . / 一,.时在同一范围内例如.时 ,传质系数与气泡直径无关。陈再新等加】也发现小气泡对总的体积传 质系数贡献不大,他们通过分析得出:小气泡返混极大,与新鲜气体交换很少,且容易出现“无效循环” 的现象,因此传质比表面积不应该是总的比表面积 ,而应该是 “有效比表面积”口 。由于有效气泡直 径无法直接测得,假设小气泡的气含率 全部为 “无效气含率”,则有效比表面积为: :口口一 ,『、 一 应用 代替口后,计算得到的传质系数与实验结果比较接近,并符合一般规律,也进一步验证了“有效 比表面积”这个观点。 单气源反应器单级和普通多级环流反应器中,一般采用表观气速的幂函数表达反应器的体积传质 系数;而对于多气源的环流反应器,体积传质系数的定量描述变得更加困难。刘永民等【“认为双气源的 多室环流反应器的体积传质系数可以表示为: 他 口 式中 、 是与环流反应器结构有关的常数,该式能体现出不同气源表观气速对体积传质系数的影响。 根据修正双膜理论,参考式 、 中的表达方式,三段进气时,体积传质系数可表示为:, 由于本文中反应器各段导流筒内径、高度均相同,即 仍:仍: ,上式可简化为:第 卷第 期 李绍果等:三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究 厂式中, 、 是与反应器结构有关的常数, 坳 、。 实验部分 . 实验装置及 实验所用的环流反应器和装置流程如图 所示。环流反应器内径,高 ; 导流筒内径,分三段,每段高 , 从下往上依次为第一段、第二段、第三段;各 段导流筒的底部均装有微孔气体分布器;反应 器有效体积约为。空气由空气压缩机 提供,经缓冲罐和流量计进入反应器。三段同 时进气时,各段中通入气体的表观气速用 、 和 表示;保持 、 和 之和等于 . .~。为了便于表述表观气速比,定义 / ,表 给出了本文中所使用的 图 实验装置图. ?各种表观气速比,其中代表单气源多级 表 表观气速比 环流反应器。 . 实验方法 体积传质系数 是表征环流反应器传 质性能的重要参数,也是环流反应器放大的主 要依据。本文采用亚硫酸钠空气氧化法测定反 应器的体积传质系数,这种方法基于以稳定流 量加入的亚硫酸钠氧化速率与溶氧速率最终 达到平衡 】。实验中测得的溶液中氧浓度随时 间变化如图 所示,由于环流反应器中流场比 较复杂,氧浓度存在一定的波动,但幅度不 是很大。温度对体积传质系数有着显著的影 响,为消除温度波动对测量结果的影响,实验 测得的体积传质系数由下式转换为?时的 体积传质系数 。: 图 氧浓度变化示意图、× . 气.液相问的传质和两相流中的气泡特性 . 州。 ?。 参数密切相关。测定气泡参数主要有四种方法:摄像法、干涉法、毛细管光 电法和电导法等。电导探针 法测量精度不受操作人员熟练程度的影响,响应快,易与计算机连接、实现大样本实时采集;而且电导 探针体积很小,对流场的影响较小,可安装在反应器中的任意位置,因此用电导探针来测量气一液两相流 中的气泡参数是一种先进可行的方法。本实验中使用双电导探针法进行气泡参数气泡大小和速度、气含 率及比表面积测量,并计算得到各参数的统计平均值 】。 实验结果与讨论 . 气泡直径 图 为三段进气环流反应器各段中平均气泡直径随 值的变化趋势。当?小于 .时,各段中平高 校 化 学 工 程 学 报 均气泡直径都随 的增加而减小,第一段中尤其明显。?继续增大以后,第一段中平均气泡直径仍随? 的增加而减小,但变化趋势明显放缓;第二段和第三段中平均气泡直径基本不再变化。大气泡主要存在 于第一段中,第二段和第三段中由于新气流带入小气泡,并提高湍动、加快气泡的破碎,使得气泡平均 直径减小 】;各段中气泡直径均小于单气源多级环流反应器。 图 不同进气比时平均气泡直径 图 不同进气比时平均气泡速度. /.. 气泡速度 三段进气时,第一段内气泡上升速度随 值的增加而降低, 大于 . 后基本不再变化,如图 。 第二段中气泡上升速度拐点虽然也出现在.处,但 较小时,气泡上升速度随 的增加而增加, ?大于 .后也基本不再变化。第三段中气泡上升速度远大于第一段和第二段中气泡上升速度,分布也 相对均匀,只是在.时存在最低点。三段进气时,各段内气泡速度与多级环流反应器差别不大。 . 气含率 图 为三段同时进气时各段中气含率随 的变化曲线。三段同时进气时,各段内流体大都处于均匀 鼓泡区或过渡区,气含率受表观气速的影响比较明显。随着 的增加,即第三段中通气量增大,第一段、 第二段中的通气量逐渐降低,这导致第一段、第二段中的气含率随 的增加而降低。而在第三段中,由 于新通入气流带入小气泡,随着?的增加气含率略有提升。图 不同进气比时气液比表面积 图 不同进气比时平均气含率. ,?. 气液接触比表面积 图 表示三段进气环流反应器内气液接触比表面积随?的变化规律。由图可见,第一段中气液接触 比表面积与单气源多级环流反应器基本持平, 较大时略有升高。第二段、第三段中由于气体喷射力的 作用,使得气泡直径减小,气液接触比表面积明显高于单气源多级环流反应器;第二段中比表面积随 的增加而升高,当 大于 .后基本不再变化;第三段中的气液接触比表面积随 的增加而持续增大。第 卷第 期 李绍果等:三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究 三段进气时,反应器内总的气液比表面积显著增大,有利于体积传质系数的提升。 . 有效比表面积 由于小气泡对传质系数的贡献远小于大气泡的贡献,根据式 ,计算得到“有效比表面积” .,如图 所示。与图 对比可见,第一段中 的变化规律与 的变化规律基本相同;第二段中 开始随 的增加而升高, 大于 .后变化很小,与 的变化规律相比,稳定点对应的 值减小。 与口的最大差别体现在第三段中, 值较小时, 与 一样随?的增加而升高;而在.时 取 得最大值, 值继续增大时, 开始降低。第二段和第三段中的变化规律证明,三段进气时新通入气体 带入大量小气泡,增大了气液比表面积 ;但随?值的增大,小气泡量逐渐增多,导致有效比表面积口 在 值较大时开始降低。 图 不同进气比时有效气液比表面积 图 进气比对体积传质系数的影响 . . 体积传质系数 图 中实线描述了三段进气时实验测得的体积传质系数在不同表观气速比下的变化规律,图中点划 线表示单气源多级环流反应器的体积传质系数。由图可见,三段进气环流反应器的体积传质系数明显高 于单气源多级环流反应器,且随?的变化呈抛物线形状分布;在.时取得最大值,此时体积传 质系数比其他 时的体积传质系数高 %以上,相当于同等气流量下单气源多级环流反应器的 倍。 根据各段中表观气速及 的数据,计算得到式 中 、 的值,代入式 可得: . . 一口. . ×. × ’ . ×由式 求得的不同进气比下体积传质系数的变化曲线如图 中虚线所示,小图为局部放大图。从图中可 以看出,模型计算值比较准确地反映出体积传质系数在不同进气比下的变化规律,两条曲线都呈抛物线 形,且都在.取得最大值。由于环流反应器内部流动的复杂性,而且分段进气使得反应器流体 运动形态数值化更加困难,导致模型计算值与实验值之间存在一定的误差。 结 论三段进气环流反应器内各段气泡参数不同:与单气源多级环流反应器相比,三段进气反应器各 段气泡直径减小,气含率略有降低;第二段和第三段中的气液接触比表面积增加显著;三段进气环流反应器体积传质系数明显高于单气源多级环流反应器,体积传质系数随?的变化 呈抛物线状形分布;在.时取得最大值,约为同等气流量下单气源多级环流反应器的 倍。根 据修正双模理论,回归计算得到三段进气环流反应器体积传质系数的经验关 联式: 以 . 珥. × 口.. ’ .. 。 由该经验公式计算得到的体积传质系数符合不同?时的变化规律。