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    以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能
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    以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能

    2019-08-31      閱讀:
    對二甲苯氧化合成對苯二甲酸常用鼓泡塔作為氣液反應器,以填料為內構件可以強化鼓泡塔反應器的氣液接觸狀況,從而提高反應速率。以金屬鮑爾環為內構件,考察鼓泡塔反應器的氣液接觸狀況,采用高速攝像技術對氣泡群進行圖像分析,同時利用體積膨脹法測定氣含率,研究不同型號鮑爾環作用下的氣含率、氣泡尺寸和粒徑分布。結果表明,Φ25 鮑爾環對氣泡的切割效果好,氣泡的尺寸分布較為集中,主要處于 3.00~6.00 mm 之間,Sauter 平均直徑隨氣速而,并在高氣速下趨于平緩;鼓泡塔反應器的氣含率隨氣速而,且鮑爾環尺寸越小氣含率越大。利用實驗數據進行非線性回歸,得到在實驗氣速范圍內氣含率與氣泡 Sauter 平均直徑、比表面積的關聯式,計算值與實驗結果較為吻合。

    鼓泡塔是一種常見的氣-液兩相反應裝置,具有結構簡單、操作方便、無移動部件及傳熱傳質性能好等點,被廣泛應用于氧化、加氫、氯化、羰基化、費托合成等多種反應過程[1-3]。鼓泡塔反應器依靠氣泡浮力驅動液相及混合,并通過氣液界面進液相間物質及傳遞。因此,鼓泡塔反應器中氣液接觸面積和兩相間傳質系數均與氣泡尺寸密切相關。我國對于對苯二甲酸(PTA)有較大的市場需求,突出的供需矛盾和可觀的利潤率促使大量 PTA 裝置投產,對二甲苯氧化合成對苯二甲酸常用鼓泡塔作為氣液反應器,然而由于傳統的鼓泡塔反應器中氣泡聚并和返混現象嚴重,難以得到尺寸較小的氣泡群以保證氣液相間充分接觸。
     
    近年來,眾多研究者對傳統鼓泡塔反應器進行了一系列改進,在其中設置填料、靜態混合器、氣體分布器[4-6] 等內構件進一步強化鼓泡塔的氣液接觸狀況。其中,加入不同的填料可以有效切割氣泡,使氣液能充分地接觸。Matías 等[7] 研究了三相鼓泡塔中規整填料對氣含率的影響,證實了填料能有效提高氣含率,并得到填料作用下氣含率的關聯式;Daeseong
     
    等   [8] 研究了填料床層中氣泡破碎和聚并的機理,確定了填料切割氣泡的作用;劉春江等[9] 對裝填規整填料鼓泡塔內的鼓泡流動進行了 CFD 模擬;祁貴生等[10]研究了 3 種不同類型填料對錯流旋轉填料床氣液傳質特性的影響,選出佳填料。然而對特定填料作用下的氣泡粒徑分布規律和填料尺寸對于鼓泡塔流體力學性能的影響鮮有研究。
     
    高速攝像技術是通過高速攝像機拍攝氣泡運動狀態并通過圖像分析獲取氣泡參數,是研究氣液兩相流的常用方法。Kazakis 等[11] 采用高速攝像法研究不同孔徑分布器鼓泡時的氣泡形態和直徑分布,得到氣泡直徑的數學關聯式;Giorgio 等[12] 利用高速攝像技術研究氣體進口為多孔分布管的鼓泡塔的流體力學性能,并得到氣泡直徑和比表面積的關聯式,為工業放大提供了設計依據。以填料為內構件的鼓泡塔中,填料自身的特性參數如空隙率和比表面積對氣泡尺寸和氣液相比表面積的定量關系至今也鮮有報道。

    本研究選用不同型號的金屬鮑爾環作為鼓泡塔反應器內填料,利用高速攝像技術采集氣泡尺寸信息,研究不同型號鮑爾環作用下的氣含率、氣泡尺寸和粒徑分布,確定合適的填料型號,同時得到填料作用下全塔的平均氣含率、氣泡尺寸和氣液相比表面積的關聯式,為工業化研究提供理論和設計依據。
     
    1         實驗裝置及方法
     
    1.1    實驗裝置
     
    鼓泡塔實驗裝置如圖 1 所示。反應管由玻璃制成,尺寸為 Φ130 mm×1 000 mm。反應管由兩段構成,上段為氣液接觸段,長 600 mm,下段為散堆鮑爾環,長 400 mm,兩段之間由法蘭連接,平靜時液面高度為 850 mm。進口形式采用中心開孔的單孔板,孔徑為 4 mm。氣室、孔板與反應管通過法蘭連接,材質都為玻璃。
    鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能
    實驗時氣體由小型空氣泵輸送,并經轉子流量計計量后輸入鼓泡塔反應器中。當氣體在氣室內穩定后通過分布板經不同型號填料切割形成較小氣泡。在氣泡上升過程中,使用美國 VRI 公司的 Phantom 系列 LC321S 高速數字攝像機,垂直于鼓泡塔背光拍攝獲得氣泡圖像信號,拍攝位置距離填料層 260 mm。高速攝像機與電腦相連,可以實時采集圖像信息。
     
    1.2  數據處理
     
    利用高速攝像機采集分辨率為 720×1 200 的氣泡圖像,通過高速攝像機所配套的 Phantom Camera Control 軟件測量氣泡尺寸。為確保氣泡尺寸測量結果的準確性,每個條件下至少統計 300 個氣泡。
     氣泡可變形,呈現不同的形狀。為便于統計,本文采用 Ellingsen 等[13] 提出的方法,將氣泡的投影近似看成橢圓形,采用長軸和短軸來描述氣泡形狀尺寸,如圖 2 所示,其長軸和短軸分別表示為 2a 和 2b,則單個氣泡的體積等效直徑可以表示為:
    鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能
    式中,dBi i 個氣泡的等效直徑,單位為 mm;ni
     
    氣泡的序數;N 為氣泡總數目。
     
    1.3  填料選擇
     
    本文選用 5 種與所用鼓泡反應器塔徑可匹配的金屬鮑爾環,其比表面積和空隙率如表 1 所示,其中 α 為比表面積,φ 為空隙率,Φ 為直徑,H 為高度。填料采用亂堆的方式裝填,填料層總高度為 400 mm。
    表 1  不同鮑爾環規格表
     
    Table 1       Specification of different types of Pall rings
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖3)
     
    Types Φ×H/mm2 α/(m2·m−3) φ/%
    Φ10 10×10 482 91.6
    Φ16 16×16 342 92.8
    Φ25 25×25 206 93.4
    Φ38 38×38 137 94.4
    Φ50 50×50 107 94.9
           
     
    2         結果與討論
    2.1    Sauter 平均直徑
     
    圖   3 示出了不同型號鮑爾環作用下氣泡 Sauter 平均直徑隨氣速 uG 的變化情況。由3 可知,隨著氣速提高,氣泡均有趨勢,且趨勢逐漸變緩。高氣速條件下氣泡尺寸變化不大的原因是由于高速氣體所造成的強湍動作用加劇了氣泡的破碎,
     
    從而有利于產生較小的氣泡。相比較而言,裝填較大尺寸的鮑爾環,如 Φ50、Φ38,氣泡 Sauter 平均直徑在氣速小于 0.004 m/s 范圍內變化幅度較大,其原因與鮑爾環結構有關。尺寸較大的鮑爾環空隙率大,氣泡可沿著空隙上升,因此氣泡與填料間的碰撞、切割作用不夠明顯,使得氣泡尺寸較大。
    鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能
    圖 3 也可發現,Φ25 鮑爾環作用下的氣泡 Sauter 平均直徑小。使用鮑爾環作用氣液接觸存在一個佳尺寸,這是因為當鮑爾環空隙率小到一定程度時,氣泡進一步聚并為較大氣泡的概率??梢?,當采用填料強化鼓泡塔反應器中氣液接觸時,有必要綜合考慮操作工況與填料結構的匹配。
     
    影響氣泡尺寸的因素眾多,很多研究者對氣泡的尺寸進行了關聯,如文獻 [14-15] 中的模型,但是這些模型都是基于無內構件的鼓泡塔而建立的。事實上氣泡尺寸也受到填料結構的影響,因此有必要進一步將填料的結構參數如比表面積 α、空隙率 φ 與氣泡尺寸進行關聯。本研究選擇 Re(雷諾數)、Fr(弗勞德數)、We(韋伯數)來建立關聯式,其定義式分別為:
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖5)
    圖 4 示出了 Sauter 平均直徑的實驗值 d32exp 與式(7)的計算值 d32cal 的比較結果,計算值與實驗結果較吻合,偏差在±20% 以內,表明式(7)對于本體系有較好的適用性。
    鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能
    2.2    氣泡尺寸分布
     
    氣泡的 Sauter 平均直徑反映了氣泡群尺寸的均值,但無法獲得氣泡群尺寸的分布情況。圖 5 統計了氣速為 0.002 76 m/s(流量為 0.037 L/s)下各型號鮑爾環作用下的氣泡尺寸的頻率分布。由圖可見,Φ10、Φ16、Φ38、Φ50 鮑爾環作用下產生的氣泡尺寸較大,且尺寸分布較寬,相比之下 Φ25 鮑爾環下的氣泡尺寸分布更集中,且 deq≤12 mm。
    鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能

    利用高斯函數對圖 5 中的氣泡尺寸分布進行擬合,擬合曲線見圖 5。表 2 給出了各擬合曲線的特征參數和分布函數。從表 2 可見,Φ25 鮑爾環作用下的氣泡粒徑分布的均值和標準差小,其分布窄、集中性強、峰值高,與正態分布曲線擬合程度較高,說明在此工況下 Φ25 鮑爾環對氣泡的切割作用為顯著、穩定。
     
    圖 6 統計了 Φ25 鮑爾環作用下氣泡群在不同氣速下的尺寸分布情況。由圖可見,當氣體流速在 0.18~0.68 m/s(流量為 0.023~0.09 L/s)范圍內,Φ25 鮑爾環產生的氣泡尺寸分布均較為集中,主要處于 3.00~6.00 mm 之間,且表現出氣泡分布窄、峰值高的特
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖8)
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖9)
    點。隨著氣速,大尺寸氣泡頻率略有增加,但其尺寸都小于 12 mm,且氣泡整體分布較為穩定。
     
    2.3    平均氣含率
     
    氣含率是表征鼓泡塔流體力學特性的一種特征參數,其定義為反應器中氣相在氣液混合相中的體積分數。本研究選用體積膨脹法[16] 計算平均氣含率,其計算式為:
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖10)
     
    圖   7 給出了氣速 0~0.008 m/s(流量為 0~0.11 L/s)
     
    范圍內平均氣含率隨氣速的變化關系。由圖 7 可知,床層氣含率隨鮑爾環尺寸而提高。這是因為填料空隙越大,氣泡運動受到的阻力越小,氣泡能更快地溢出,導致大尺寸填料作用下的氣含率較??;而小尺寸填料的床層阻力較大,可以滯留較多的氣泡并且降低氣泡上升的速度,使氣含率升高。在實驗氣速范圍內,氣速低時對于氣含率的影響并不明顯,但隨著氣速的,氣含率顯著變大,在高氣速下又趨于平緩。
     
    本文對氣泡切割效果好的 Φ25 鮑爾環作用下的平均氣含率與氣速關系進行非線性擬合,如8 所示,得到實驗氣速范圍內的關聯式:
     
    " = 132:52 uG2 + 2:28 uG (9)

    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖11)
     
    2.4 氣液相比表面積
    氣泡是氣液間的傳質和傳熱的重要場所,因此其氣液相比表面積決定了氣液相傳質、傳熱的效率,進而影響反應進行的程度。氣液相比表面積 aF 的計算式為:
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖12)
    本文討論切割氣泡效果好的 Φ25 鮑爾環作用下的氣液相比表面積。按照式(10)計算的比表面積實驗值與氣速的關系如圖 9 所示。由圖 9 可見Φ25 鮑爾環作用下的氣液相比表面積隨著氣速的明顯,在實驗氣速范圍內大可以達到 21 m2/m3。Φ25 鮑爾環作用下的氣泡尺寸關聯式為:
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖13)
     
    由式(9)~(11)可得 Φ25 鮑爾環作用下的氣液相比表面積:
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖14)
    Φ25 鮑爾環作用下氣液相比表面積的實驗值與按式(12)的計算值進行比較,殘差分析結果如圖 10 所示,兩者偏差在±20% 以內,證明上式有較好的相關性。
    轉載以鮑爾環為內構件的鼓泡塔反應器的流體力學性能(圖15)
    3  結   論
     
    鮑爾環對于鼓泡塔氣液接觸有很好的強化作用,本文中 Φ25 鮑爾環對氣泡的切割效果好。Sauter平均直徑隨著氣速的而,且在高氣速下的趨勢趨于平緩。利用實驗數據進行非線性回歸,得到實驗氣速范圍內 d32 與氣速、填料空隙率、氣液相比表面積的關聯式,計算值與實驗結果較為吻合。鮑爾環尺寸越大,其作用下鼓泡塔反應器的氣含率越大。這是因為填料空隙越大,氣泡運動受到的阻力越小,氣泡能更快地溢出,導致大尺寸填料作用下的氣含率較小。本文建立了實驗氣速范圍內氣含率與氣速、氣液相比表面積的關聯式,計算值與實驗結果吻合較好。

    符號說明
    a —— 橢圓長半軸,mm  
     
    aF —— 氣泡比表面積,m2/m3  
     
    b —— 橢圓短半軸,mm  

     
    deq —— 等效直徑,mm  
       
    d32 —— Sauter 平均直徑,mm  
    Fr —— 弗勞德數  
       
    HR —— 鼓泡時液面高度,mm  
     
       
    H0 —— 平靜時液面高度,mm  
     
       
       
    Re —— 雷諾數  
     
    uG —— 氣速,m/s  
     
    We —— 韋伯數  
     
       
    α —— 填料比表面積,m2/m3  
     
       
    ε —— 氣含率  
       
    ρL —— 液體密度,kg/m3  
       
    ρG —— 氣體密度,kg/m3  
    σL —— 液體表面張力,N/m  
       
    φ —— 填料空隙率  
     
    μL —— 液體黏度,Pa·s  
     
    μG —— 氣體黏度,Pa·s  
     
     
     
     

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