改进双探针电导探头研究外环流反应器内气相特征

摘要

外环流反应器是一类由鼓泡塔改进而来的气-液两相和气-液-固三相鼓泡反应器，由于其综合了鼓泡床和搅拌釜的优异性能，具有结构简单、无机械传动部件、成本低、能效高和容易实现工业放大等优点，被广泛应用于化工、石化、生化以及污水处理等诸多领域。已经报道的有该反应器内流体力学行为的研究，多只考察流体力学参数的平均值，对局部参数研究不够深入，尤其是对气相特征的研究。一方面，由于气泡可塑性高，受体系物性、操作条件和反应器尺寸等诸多因素的交织影响，使其动力学行为更为复杂。另一方面，多相流研究中，测试技术的可靠性和局限性一直是考察流体动力学行为的重点和难点，特别对极易变形的气泡相，对测试手段在可靠性上有更高的要求。环流反应器内的气相特征与流动、传质甚至反应等密切相关，是反应器设计、放大以及实际工业生产进行过程控制所必须的参数，因此对其进行系统研究考察既具有理论指导意义又具有重要的应用价值。
　　 为此，本文在深入分析电导探针测试原理的基础上，对现有双探针电导探头测量气液体系中气体特征存在的信号响应滞后、稳定性差等问题进行改进，自行构建了一套双探针电导探头测试系统。对改进后的探针的可靠性、稳定性和适用范围进行了考察。同时，使用改进后探头测试系统，考察了环流反应器内不同液相性质(溶液粘度和表面张力)对气相特征(气含率，气泡尺寸，气泡上升速度，气泡尺寸分布)的影响及其轴径向分布规律。本工作的主要创新点和结论有：
　　 1.通过考察改进的双探针电导探头测试系统的原始信号质量和对探针测试结果的标定对比，证实了自制改进的双探针测试系统具有较高的可靠性和稳定性，增大了适用范围，并能用于高固相含率体系的测量研究。为更好的研究气液体系的规律提供了可靠的测量方法的仪器。
　　 2.利用上述双探针电导探头测试技术，对外环流反应器内不同表观气速下气相特征参数进行了系统的考察，得到了气相参数包括气含率，气泡尺寸，气泡上升速度，气泡尺寸分布的轴径向分布与表观气速的关系，探讨了轴向高度和表观气速对气泡行为的影响，观察到了分布器影响区气含率呈边壁峰分布，充分发展区气含率呈中心峰分布的现象。为反应器的设计提供了基础数据。
　　 3.结合实际工业生产，在上述研究的基础上，进一步考察了充分发展区中，液相性质对气相特征的影响，包括表面张力和液相黏度。实验发现：
　　 a)低表观气速下，表面张力减小，气含率增大、气泡尺寸减小、尺寸概率分布峰高且窄，气泡上升速度也减小.随表观气速增大，表面张力作用不再显著，气泡上升速度受气速影响显著.平均气含率随表面张力减小呈先增大后不变趋势。
　　 b)气含率随液相黏度的增加出现先增大后减小的趋势。当黏度较小时，气泡尺寸受黏度影响较小，气泡上升速度随黏度增大而减小；当黏度较大时，气泡尺寸随黏度增大而减小，上升速度随黏度增加而增大。
　　 c)以实验数据为基础，得到了气含率与表面张力和表观气速的经验关联模型，误差小于10％。