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1、鼓泡床反应器中气泡尺寸和速率分布的实验研究 Vol.35No.32009-06华东理工大学学报(自然科学版)JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)333文章编号:1006-3080(2009)03-0333-06鼓泡床反应器中气泡尺寸和速率分布的实验研究张丽娟, 叶泽月, 李 涛, 应卫勇, 房鼎业(华东理工大学大型工业反应器工程教育部工程研究中心,化学工程联合国家重点实验室,上海200237) 摘要:在内径为0.1m、高度为1.5m的鼓泡床反应器中,当表观气速(ug)为0.537.46
2、cm/s时,利用双头电导探针测定了上升和下降气泡的尺寸和速率。实验结果表明:在所测试的表观气速范围内,存在3个流型区域,即安静鼓泡区、过渡区和湍流鼓泡区,3区域间转变的ug分别为2.13cm/s和4.26cm/s。考察了不同流型区内上升和下降气泡的尺寸和速率的轴向和径向分布:在安静鼓泡区,气泡的尺寸和速率分布均匀;而在过渡区和湍流鼓泡区,气泡的尺寸和速率随反应器轴向和径向位置的改变而发生明显的变化。相同ug下,在反应器中心,下降气泡比上升气泡尺寸小30%40%;当ug一定,轴向高度为0.6m(h/D=6)时,反应器中心的下降气泡比上升气泡速率小55%左右;而在无因次径向位置r/R=0.8处,下
3、降气泡比上升气泡速率小40%左右。关键词:鼓泡床反应器;上升气泡;下降气泡;气泡尺寸;速率分布中图分类号:TQ026.7文献标志码:ABubbleSizeandVelocityDistributioninBubbleColumnReactorZHANGLi-juan, YEZe-yue, LITao, YINGWei-yong, FANGDing-ye(EngineeringResearchCenterofLargeScaleReactorEngineeringandTechnology,MinistryofEducation,StateKeyLaboratoryofChemicalEngin
4、eering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)Abstract:Bubblesizeandvelocitiesrisinganddescendingweremeasuredbydua-ltipconductivityprobeinabubblecolumnreactor,whichoperatedwithairandwater.Thecolumnwas0.1mindiameterand1.5minheight.Thesuperficialgasvelocity(ug)wasrangedfrom0.53
5、cm/sto7.46cm/s.Theresultsindicatedthatdispersedbubbleregime,transitionregimeandcoalescedbubbleregimecouldbeobservedwithintheexperimentalugwherethetransitionugamongthesethreeregimeswere2.13cm/sand4.26cm/s,respectively.Bubblesizeandvelocitywerehomogenousindispersedbubbleregimewhilechangedwiththechange
6、sofaxialandradialpositioninotherregimes.Withthefixedug,thedescendingbubblesizewas30%40%lessthanthatofrisingoneinthecentreofthecolumnandthedescendingbubblevelocitywasabout55%lessthanthatoftherisingonewhentheaxialheightwas0.6m(h/D=6),whileinr/R=0.8(dimensionlessradialdirection),thedescendingbubblevelo
7、citywasabout40%lowerthanthatoftherisingone.Keywords:bubblecolumnreactor;risingbubble;descendingbubble;bubblesize;velocitydistribution收稿日期:2008-07-16基金项目:国家973项目(2005CB221205);长江学者和创新团队发展计划资助(IRT0620)作者简介:张丽娟(1976-),女,山东人,博士生,研究方向:多相反应工程。通讯联系人:应卫勇,E-mail:334华东理工大学学报(自然科学版)第35卷鼓泡床反应器是作为分散相的气体以气泡的形式进入连
8、续的液相中的一种多相反应器。鼓泡床反应器由于具有设计简单、传热传质性能良好、热稳定性高、混合性能佳、动力需求低等优点,在化学工业中应用广泛1。但是由于鼓泡床反应器内流体力学的复杂性,使得对于其的放大和设计没有足够的理论依据。鼓泡床反应器的流型可分为安静鼓泡区、湍流鼓泡区和栓塞区的过渡区。2-3观气速为0.537.46cm/s。实验流程如图1所示。,以及在这3个流型区之间图1 实验流程图Fig.1 Processflowchart在鼓泡床反应器内,气液相间的接触情况直接决定了反应效果。气含率和气泡尺寸、速率等决定了反应器的体积、流型、气液相接触面积以及相间传质和传热,进而直接影响整个反应的速率。
9、很多学者利用探针法4、图像法5和电容层析成像法6等对鼓泡床反应器进行了研究,并对其中的气含率及气泡尺寸、气泡上升速率等7-10进行了预测。由于鼓泡床反应器内液体的净流量为零,被气体携带上升的液体必然会返回至反应器中,产生向下的液流,带动部分气泡向下运动。然而文献中对下降气泡参数的测量却鲜见报道。根据上升和下降气泡的尺寸和速率,可以得到反应器设计和放大的关键参数,如界面积等。本文利用电导探针,研究了不同表观气速下上升和下降气泡的尺寸和速率,以便更好地了解鼓泡床反应器中流体的力学行为,进一步了解鼓泡床内的返混情况。1.2 气泡参数测量采用电导探针气泡特征参数测量仪测量气液两相流中气含率、气泡运动速
10、率和气泡尺寸等参数。由于探针尖端尺寸的限制及气泡和液体之间存在表面张力,探针进入和脱离气泡的过程不能瞬间完成,但阈值电平的选择,可以明确界定探针进入和脱离气泡的瞬间。二值化后的典型信号见图2a,局部放大后为图2b。当气泡向上运动经过探针时,探针Pa的电压首先改变,而后Pb的电压才改变,如图2b中的气泡A;相反,当气泡向下运动时,则首先是探针Pb的电压改变,然后Pa的电压才改变,如图2b中的气泡B。探针Pa和Pb可以方便地反转,这就使该测量系统可以同时测量上升和下降气泡的各参数。数据采集完成后,由式(1)式(4)分别计算出气泡速率u、气泡尺寸d、平均速率ub和平均尺寸dvs,并绘出u及d分布的直
11、方图。u=l/tdd=u tbub=dvs=(1)(2)j1 实验部分1.1 实验装置采用内径为0.1m、高度为1.5m的鼓泡床反应器,该反应器用有机玻璃制成。在反应器的顶部有内径为0.2m、高为0.3m的扩大段。在反应器上开有两列沿轴向均匀分布的测试孔,两列测试孔的高度分别对应相同,且以反应器的轴心对称分布,轴向两相邻测试孔间距为0.1m,最低的测试孔的圆心在分布板以上0.1m处。实验时,首先将液体(水)由顶部加入反应器中,气体经过空气压缩机进入缓冲罐,经由质量流量计,从反应器底部经分布板进入已充水的反应器内,在反应器上端气液分离,经扩大段放空。分布板上生成的气泡在上升过程中,与插入测试孔的
12、电导探针接触,所产生的信号经测量仪测量后,再由通过USB接口连接的计算机所采集。实验应用空气-水体系,在常温常压下,对鼓泡, u/n nd/ ndji3ii(3)2i(4)为了验证电导探针测量下降气泡结果的可靠性,当表观气速为2.10cm/s时,分别将电导探针Pb放置在Pa的上方和下方,测量轴向高度为0.6m(h/D=6)处的气液两相中的气泡参数,并进行正向和反向的统计,结果如表1。从表1可以看出,无表1 可靠性检验实验结果Table1 Resultsofdua-ltipconductivityprobereliabilityRisingbubbleu/(m s-1)PbisabovePa0.
13、51d/mm4.9Descendingbubbleu/(m s-1)0.37d/mm2.9第3期张丽娟,等:鼓泡床反应器中气泡尺寸和速率分布的实验研究335图2 (a)电导探针测得的典型二值化后的信号和(b)区域 的局部放大图Fig.2 (a)Typicalbinarizedsignalfromtheconductivityprobeand(b)locallyenlargedsignalofregime论是否将探针反转,所得到的上升气泡及下降气泡的尺寸和速率,其误差都在10%以内,证明这种方法测得的结果是比较可靠的。3.20cm/s和6.39cm/s,对气泡的尺寸和速率分布进行研究。2.2.1
14、 气泡尺寸和速率的径向分布 图4和图5分别是在不同流型区内,上升和下降气泡的尺寸和速率的径向分布图。从图中可以看出:在不同的流型区内,随着径向位置的改变,气泡尺寸和速率会产生不同的变化。由图4a可以看出:在安静鼓泡区内,上升气泡的尺寸随径向位置的变化很小;而在过渡区和湍流鼓泡区内,上升气泡在无因次径向位置r/R安静鼓泡区内,气泡依次近似垂直上升,很少发生碰撞。虽然短时间内少量液体的速率场不稳定且有微弱波动,但下降气泡数量所占比例很小。从实验结果看,在实验进行52s内,当ug=0.53cm/s时,几乎测不到下降气泡;当ug=1.06cm/s时,仅在反应器中心有2030个下降的气泡;而在近反应器壁
15、处则仅有10个左右的下降气泡,约占总气泡数的10%左右。13122 结果和讨论2.1 表观气速对气含率的影响气含率是决定气液相停留时间和塔内压降的关键因素,反映了占主导的气泡大小与上升速率。图3是表观气速与气含率的比值相对于气含率的变化图。从图中可以看出:实验所测试的表观气速(ug)范围内有两个转折点。结合文献11,并根据实验结果,认为ug4.26cm/s处为湍流鼓泡区。图3 表观气速与气含率的比值随气含率的变化Fig.3 Ratioofgasholdupandsuperficialgasvelocityvs.gasholdup2.2 气泡尺寸和速率的轴径向分布型g、336华东理工大学学报(自
16、然科学版)第35卷图4 气泡尺寸在不同流型区内的径向分布Fig.4 Radialdistributionofbubblesizeinvariousregimes(h/D=6)ug/(cm s-1): 6.39; 3.20; 1.06图5 气泡速率在不同流型区内的径向分布Fig.5 Radialdistributionofbubblevelocityinvariousregimes(h/D=6)ug/(cm s-1): 6.39; 3.20; 1.06安静鼓泡区到湍流鼓泡区,上升气泡尺寸的分布范围由0.756.45mm变为0.758.95mm,而下降气泡的尺寸则由0.455.55mm变为0.45
17、7.95mm。当r/R=00.8时,下降气泡尺寸逐渐增大(图4b)。当ug=3.20和6.39cm/s时,反应器中心处下降气泡尺寸分别为2.90mm和3.27mm,在r/R=0.8处下降气泡尺寸则分别增大到4.52mm和5.51mm。由图5a,在鼓泡床反应器的中心处,气泡上升速率最大,越靠近反应器器壁处,气泡上升速率越小。这是由于壁效应的影响,气泡与壁的碰撞会使气泡的动量减小,产生沿径向往中心处的运动,使气泡有向中心聚集的趋势。在不同的流型区,气泡上升速率的径向变化趋势相同,只是程度不同,在湍流鼓泡区内的变化幅度最大。当表观气速为3.20和6.39cm/s时,气泡上升速率在反应器中心处分别为0
18、.53m/s和0.66m/s;而在r/R=0.8处,气泡上升速率则分别减小到0.37m/s和0.47m/s。在各个流型区内,气泡下降速率随径向位置的变化都0.6m(h/D=6)的反应器中心处,下降气泡比上升气泡速率小55%左右;而在r/R=0.8处,下降气泡比上升气泡速率小40%左右。2.2.2 气泡尺寸和速率的轴向分布 图6和图7分别是不同流型区内反应器中心的上升和下降气泡的尺寸和速率的轴向分布图。从图中可以看出:在不同的流型区内,随着轴向位置的改变,气泡尺寸和速率会产生不同的变化。由图6看出:在安静鼓泡区,上升气泡尺寸的轴向变化不大,均在45mm之间;而在过渡区和湍流鼓泡区,上升和下降气泡
19、尺寸均随轴向高度的增加而减小。Hibiki13也得到了相似的结论。这是由于在过渡区和湍流鼓泡区,液体的湍动剧烈,气泡的破碎占主导地位。当ug=3.20cm/s时,轴向高度为0.1m(h/D=1)处的上升气泡尺寸更大一些。当表观气速较低时,初始气泡大小随表观气速的增大而增大,所以在轴向高度为0.1m处,从安静鼓泡区到过渡区,气泡尺寸增大;但随着表观气速的增加,液体的湍动加剧,有些气泡在形成的瞬间就产生了破碎,所以初始上升气泡在湍流鼓泡区会比过渡第3期张丽娟,等:鼓泡床反应器中气泡尺寸和速率分布的实验研究337图6 气泡尺寸在不同流型区内的轴向分布Fig.6 Axialdistributionof
20、bubblesizeinvariousregimes(r/R=0)ug/(cm s-1): 6.39; 3.20; 1.06图7 气泡速率在不同流型区内的轴向分布Fig.7 Axialdistributionofbubblevelocityinvariousregimes(r/R=0)ug/(cm s-1): 6.39; 3.20; 1.06气泡比上升气泡尺寸小30%40%,这也说明小气泡具有与液体一同向下的返混特性14。气泡速率主要与气泡大小及表观气速等因素有关。由图7可以看出:气泡上升速率和下降速率随轴向变化的趋势一致,均稍有下降。当表观气速为3.20cm/s和6.39cm/s,轴向高度从
21、0.1m增加到1m时,气泡上升速率分别下降了16%和12%;相同表观气速下,反应器中心的下降气泡速率均比上升气泡速率小55%左右。比较图6a和图7a,在安静鼓泡区内,气泡上升速率和气泡尺寸随轴向高度的变化趋势大体一致:表观气速增大时,气泡速率也会相应增大;而大尺寸的气泡由于所受浮力的增加,会比小尺寸的气泡的上升速率大。Clift15也得到了类似的结论。而湍流鼓泡区的气泡上升速率与气泡尺寸随轴向的变化趋势并不一致。说明在湍流鼓泡区内,气泡上升速率的主要影响因素是表观气速,而不是气泡尺寸。化来确定流型转变气速。在实验表观气速范围内,鼓泡床反应器可以分为安静鼓泡区、过渡区和湍流鼓泡区。3流型区间转变
22、的表观气速分别为2.13cm/s和4.26cm/s。(2)相同表观气速下,在反应器中心,下降气泡比上升气泡小30%40%。这说明小气泡具有与液体一同向下的返混特性。从反应器中心到r/R=0.8处,下降气泡尺寸逐渐增大。(3)随表观气速的增加,上升气泡和下降气泡尺寸的分布都逐渐变宽。(4)气泡上升速率随r/R的增大而减小,即在鼓泡床反应器的中心处最大,反应器器壁处最小;下降气泡的速率则随径向变化很小。当表观气速一定,轴向高度为0.6m(h/D=6)时,反应器中心的下降气泡比上升气泡速率小55%左右;而在r/R=0.8处,下降气泡比上升气泡速率小40%左右。符号说明:3 结 论d 气泡尺寸,mmd
23、vs 气泡平均尺寸,mm338D 鼓泡床反应器的直径,mh 测量点高度,ml Pa、Pb探针的间距(1.52.5mm)n 气泡数ni 尺寸为di气泡数nj 速率为uj气泡数U 电压,Vu 气泡速率,m/sug 表观气速,cm/sr 径向位置,mR 鼓泡床反应器的半径,mt 取样时间,stb 气泡持续时间,std 气泡延迟时间,s g 气含率,%华东理工大学学报(自然科学版)(6):609-623.第35卷6 FransoletE,CrineM,MarchotP,etal.Analysisofgashold-upinbubblecolumnswithon-Newtonianfluidusinge
24、lectricalresistanceomographyanddynamicgasdisengagementtech-niqueJ.ChemEngSci,2005,60(6):118-6123.7 ZhangJP,GraceJR,EpsteinN,etal.Flowregimeidentif-icationingas-liquidflowandthree-phasefluidizedbedsJ.ChemEngSci,1997,52(21-22):3979-3992.8 RampureMR,KulkarniAA,RanadeVV.Hydrodynamicsofbubblecolumnreacto
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