固定床鼓泡反應(yīng)器中微氣泡的形成演化規(guī)律.pdf

1、固定床鼓泡反應(yīng)器是一種特殊的鼓泡反應(yīng)器，其中固體顆粒固定不動(dòng)，氣液兩相并流向上，液相是連續(xù)相，氣相是分散相，氣相以氣泡的形式分散于液相中。氣泡尺寸對(duì)相間傳質(zhì)至關(guān)重要，傳統(tǒng)固定床鼓泡反應(yīng)器中氣體分布器產(chǎn)生的氣泡尺寸都在毫米級(jí)以上，特別是在低氣液比條件下不利于氣液相間傳質(zhì)。本文提出了一種新型的固定床鼓泡反應(yīng)器，使用文丘里型氣液分布器產(chǎn)生微米級(jí)的氣泡，利用微氣泡比表面積大、上升速度慢和溶解速度快的特點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化傳質(zhì)。圍繞固定床鼓泡反應(yīng)器中微氣泡的

2、形成演化規(guī)律這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)研究單個(gè)文丘里氣泡發(fā)生器和文丘里型氣液分布器的微氣泡發(fā)生性能，闡明了微氣泡的形成機(jī)制和調(diào)控方法;通過(guò)研究氣泡在液相床層和規(guī)整填料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及聚并破碎行為，揭示微氣泡的演化機(jī)制。主要工作和研究結(jié)果如下:
　　1.綜合使用高速攝像機(jī)測(cè)量氣泡尺寸分布和CFD模擬，研究了單個(gè)文丘里氣泡發(fā)生器和文丘里型氣液分布器的微氣泡發(fā)生性能，提出了文丘里氣泡發(fā)生器和文丘里型氣液分布器的設(shè)計(jì)原則，獲得了優(yōu)選的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3、和操作參數(shù)。首先，研究了氣速、液速等操作條件和喉管直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣泡Sauter平均直徑的影響規(guī)律，建立了氣泡Sauter平均直徑與液相雷諾數(shù)、氣相雷諾數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)了低氣液比條件下通氣量小于抽吸量導(dǎo)致的氣泡Sauter平均直徑隨時(shí)間周期性波動(dòng)的現(xiàn)象。其次，在驗(yàn)證CFD模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，探討了操作條件對(duì)文丘里氣泡發(fā)生器內(nèi)速度分布和壓力分布的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)提高液速或降低氣速使得壓力軸向分布變陡，液體對(duì)氣體的剪切破碎作用增強(qiáng)，有利

4、于生成微氣泡。模擬還發(fā)現(xiàn)，在低氣液比條件下，擴(kuò)大段內(nèi)液體出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，且隨著氣液比的增大，偏流現(xiàn)象逐漸消失。最后，考察了床型、文丘里氣泡發(fā)生器間距、氣液分布器傾斜角度對(duì)文丘里型氣液分布器出口氣泡尺寸的影響。研究發(fā)現(xiàn)，增大管間距有利于減少氣泡間的聚并，推薦的管間距不小于78 mm，且文丘里型氣液分布器具有較好的抗塔板傾斜性能。
　　2.在對(duì)液相床層中不同尺寸的氣泡進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，綜合使用高速相機(jī)和粒子軌跡測(cè)速法

5、(PTV)，實(shí)驗(yàn)揭示了液相床層中不同尺寸氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及不同液相高度床層內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，氣泡在液相床層中的運(yùn)動(dòng)軌跡按照氣泡尺寸可以分為三類(lèi):對(duì)于直徑小于1mm的微米級(jí)氣泡，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線(xiàn);對(duì)于直徑為1.0～5.5 mm的氣泡，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一條周期性振蕩的S型或者“之”字型曲線(xiàn);對(duì)于直徑大于5.5 mm的氣泡，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一條偶爾出現(xiàn)擺動(dòng)的曲線(xiàn)。文丘里氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡以氣泡束的形式進(jìn)入液相床層，且氣泡束的

6、寬度隨著床層高度、氣量和液量的增加而增大。在靠近文丘里氣泡發(fā)生器的區(qū)域，氣泡運(yùn)動(dòng)主要受液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制，不同尺寸的氣泡表現(xiàn)出相似的運(yùn)動(dòng)行為;在遠(yuǎn)離文丘里氣泡發(fā)生器的區(qū)域，氣泡行為主要由氣泡自身控制。
　　3.利用高速相機(jī)研究發(fā)現(xiàn)了氣泡在規(guī)整填料床層內(nèi)具有的3種主要聚并機(jī)制和4種主要破碎機(jī)制，以及微氣泡和常規(guī)氣泡在規(guī)整填料床層內(nèi)行為的差異性。其中，氣泡在規(guī)整填料床層聚并機(jī)制主要有:降速聚并、壓縮聚并、粘壁聚并，破碎機(jī)制主要有:剪切

7、破碎、撞擊破碎、加速破碎、拉伸破碎。而且，隨著填料間距的增大，氣泡表現(xiàn)出的聚并機(jī)制和破碎機(jī)制種類(lèi)逐漸增多。在間距為3 mm的規(guī)整填料床層內(nèi)，與填料間距尺寸相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)氣泡表現(xiàn)出聚并、破碎、形變和自由運(yùn)動(dòng)等多種行為，而微氣泡以聚并和自由運(yùn)動(dòng)為主，很難發(fā)生破碎和形變。此外，催化劑類(lèi)型和尺寸對(duì)氣泡的破碎聚并行為具有重要影響。與空床時(shí)相比，裝填催化劑以后，床層內(nèi)氣泡Sauter平均直徑顯著增大，床層對(duì)微氣泡具有明顯的聚并作用。隨著球形顆粒粒徑的增