射流鼓泡反應器內氣泡分布特性

李 蒙，王浩同，蔣 燕，馬 炯，黃正梁，王靖岱

（1.中國石化 南京工程有限公司，江蘇 南京 211100；2.浙江大學 化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310027）

射流鼓泡反應器內氣泡分布特性

李 蒙1，王浩同2，蔣 燕1，馬 炯1，黃正梁2，王靖岱2

（1.中國石化 南京工程有限公司，江蘇 南京 211100；2.浙江大學 化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310027）

采用氣體分布盤和縮徑式液體噴嘴的射流鼓泡反應器冷模實驗裝置，以空氣-水作為模擬體系，考察了表觀氣速（ug）和噴嘴出口液速對氣泡分布特性的影響。實驗結果表明，在不同ug下，平均氣含率均隨著噴嘴雷諾數（Rej）的增大而增大，平均氣含率經驗關聯式計算值與實際值的平均相對偏差為8%。射流鼓泡反應器中心處氣含率較高，邊壁處氣含率較低；隨著Rej的增大，氣含率最高點向壁面方向移動，徑向氣含率分布趨于均勻。隨著Rej的增大，氣泡具有不同的運動軌跡和分布狀態，從類似字母“C”逐步演變為類似字母“B”和“A”。

射流鼓泡反應器；氣含率；氣含率分布

傳統的鼓泡塔受限于氣泡尺寸和氣液兩相流動，在氣液傳質過程中存在瓶頸，因此傳質效率難以繼續提升［1］。射流、內構件、機械攪拌等是常用的鼓泡塔傳質強化手段。Shah等［2］研究了內構件對鼓泡塔氣含率、軸向擴散系數和傳質系數的影響，發現內構件使氣含率和傳質系數稍有提高，但使擴散系數明顯下降。Bouaifi等［3］研究了雙層組合漿攪拌鼓泡塔的氣含率，發現氣體分散性能和輸入功率密切相關，輸入功率和表觀氣速（ug）越大，整體氣含率越大；且局部氣含率分布對氣泡尺寸分布和氣液體積傳質系數有重要的影響。Evans［4］發現射流作用可強化傳質，用噴射式氣液反應器代替鼓泡塔可得到更好的氣液傳質效率。

研究者對噴射式氣液反應器內氣含率、氣泡尺寸等氣泡參數［5-8］及氣液傳質性能［9-10］進行了大量研究，針對不同的反應器結構和實驗體系，獲得了系列氣含率和液相體積傳質系數的經驗關聯式。而關于射流鼓泡反應器內氣泡分布規律、混合和傳質特性的研究則相對較少。Amiri等［11］對射流鼓泡反應器的混合性能進行了研究，發現射流可以有效改善液相混合，且越接近氣液兩相相遇位置，混合時間越短，并給出了流型圖。郭天琪等［5］研究了射流鼓泡器中ug和射流雷諾數對液相宏觀混合時間的影響，并從能量輸入的角度分析了射流鼓泡反應器的混合機制，但未見關于射流鼓泡反應器內氣泡分布特性的研究報道。研究射流鼓泡反應器的氣體分布特性對于掌握氣液兩相流動規律及其設計和優化具有重要意義。

本工作在射流鼓泡反應器冷模實驗裝置中，利用自制的電導探針測量局部氣含率，考察了ug和噴嘴出口液速對氣泡分布特性的影響，期望為工業射流鼓泡反應器的設計開發提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

射流鼓泡反應器冷模實驗裝置主要由射流鼓泡反應器、氣路系統、水路系統、檢測儀器及計算機數據采集系統等5部分組成。其中，射流鼓泡反應器的主要內構件包括液體注入噴嘴、氣體分布盤、擋板和破渦器。冷模實驗在常溫、常壓下進行，以空氣和水作為模擬介質。實驗中ug的變化范圍為0.005～0.025 m/s，噴嘴出口液速的變化范圍為0.87～8.8 m/s，對應噴嘴雷諾數（Rej）變化范圍為1.57×104～1.58×105。冷模實驗裝置的結構參數見表1。

表1 冷模實驗裝置結構參數Table 1 Structural parameters of cold model

氣體分布盤結構如圖1所示，分布盤直徑為110 mm，36個直徑2 mm的通氣孔均布在3層同心圓和圓心上，3個同心圓的半徑分別為30，55，85 mm，通氣孔數量分別為6，8，10個。

圖1 氣體分布盤實物圖及結構示意圖Fig.1 The gas distributor plate and its structure diagram.

1.2 實驗及數據處理方法

采用自制的雙探頭電導探針測量氣泡參數［12-13］。雙探頭電導探針是一種直徑為毫米級，外部涂有絕緣層，僅探針尖端裸露的檢測儀器，主要依據氣相和液相電導率的差異來測定氣液兩相中的氣泡參數。制作完成后的探針需接入測試電路，兩個探針分別與電源的負極相連，不銹鋼外殼與電源正極相連，同時外接限流電阻，可獲得高低電平的數據信號。A/D采集板要與測試電路匹配，等效阻值應比探針電阻大兩個數量級以上。某一點的局部氣含率（εi）的估算式見式（1）。

式中，r為徑向位置，mm；t為采樣時間，s；t1和t2分別為氣泡分別通過兩個探針的時間，s。

式中，Ai為與測量位置相應的圓環面積，m2。全釜平均氣含率（）見式（3）。

式中，Vs為截面液體體積，m3。

2 結果與討論

2.1 平均氣含率

圖2為不同ug下Rej對的影響。由圖2可知，隨著Rej的增大呈增加的趨勢，且ug越大，越大。當ug較低（0.005 4 m/s）時，Rej對的影響較小。當ug較高（＞ 0.005 4 m/s）時，在較低的Rej（＜10×104）條件下，反應器內為層流流動狀態，射流作用較強，氣體從分布盤溢出后直接上升到液面上方，隨著Rej的增加有所增加，但增幅較小。在較高的Rej（＞10×104）條件下，由于射流作用的增強，不僅反應器內形成較強的液體循環流動，大量氣體被液體環流夾帶進入反應器底部，且射流作用區范圍擴大，被沖擊到反應器壁面處的氣體增多，氣泡尺寸變小，使增大且反應器內氣體分布變得均勻。

圖2 Rej對的影響Fig.2 Effect of nozzle Reynolds(Rej) on average gas holdup(>).Superficial gas velocitу(ug)/(m·s-1)：■ 0.005 4；

采用郭天琪等［5］提出的射流鼓泡反應器輸入能量計算公式，對圖2數據進行擬合，得到射流鼓泡反應器的與ug和單位體積輸入功率（P）的經驗關聯式，見式（4）。

圖3 經驗公式計算值與實驗值的比較Fig.3 Comparison of the between the calculated value and experiment value.

2.2 氣含率分布

圖4為不同實驗條件下射流鼓泡反應器中的氣含率分布。由圖4可知，射流混合反應器中心處氣含率較高，邊壁處氣含率較低。隨著射流出口液速的增大，氣含率最高點向壁面方向靠近，總體而言徑向氣含率分布趨于均勻，這對氣液傳質和混合是有利的。在同一軸向位置局部氣含率隨ug的增大而增大。未加入射流時，反應釜中心及自由液面處氣含率較高，壁面處氣含率較低，如圖4a所示。加入射流后，氣含率較高的位置逐漸向邊壁處及分布板上方自由液面移動，且射流出口液速越大，這種變化越明顯。這是因為射流從反應器上部中心軸處向下噴射，對反應器中心軸線上的氣泡形成破碎、擠壓作用，射流作用區的氣泡較少。隨著射流出口液速的增大，射流作用區范圍逐漸擴大，對氣泡的破碎、擠壓作用更顯著。此外，隨著射流出口液速的增加，反應器自由液面附近的氣含率分布趨于均勻，見圖4g～i。這是因為射流的破碎分散能力隨射流出口液速的增大而增強，氣體被剪切成直徑更小的氣泡，因此上升至液面逸出的氣體比例減少。同時，由于氣體在反應器內停留時間的增加，氣液兩相在反應器內得到了更好地分散，反應器內氣含率分布更加均勻。

圖4 不同實驗條件下的氣含率分布圖Fig.4 Gas holdup distribution under different experiment conditions.

2.3 氣泡分布狀態

圖5為不同ug下射流鼓泡反應器內氣泡分布狀態，借鑒了Amiri的流型分析方法［11］，可較好地解釋不同操作狀態下流型對混合和氣體分散狀態影響。圖5a和5b為Rej= 2.95×104時，反應器內氣液分散狀態，此時射流作用較弱，并沒有使氣體得到均勻分散，反應器內氣體產生了偏流，從流型圖可以看出，此時反應器內流型類似字母“C”。由圖5a可知，當氣體運動軌跡呈“C”字型分布時，由于Rej較低，在反應器底部的液體噴射動量已經變得很小，因此氣泡在反應器底部分散的不是很好，此時液體循環還不能達到反應器下部。由圖5b可知，在反應器下部區域中，氣體沿著反應器中心區域上升。當ug進一步增加時，反應器內出現了明顯的偏流。由圖5c和5d可知，當增加Rej= 4.91×104時，雖然在不同的ug下，氣泡沿反應器壁面分散的程度不同，但此時氣體分散基本呈對稱狀態，且氣泡可在某處抵達氣體壁面，反應器內流型類似字母“B”。在ug較小的條件下，當氣體從反應器底部溢出時，氣泡上升速度較小，氣泡分布不是十分均勻，但是流型相對呈對稱分布。當射流撞擊到氣流時，由于二者的對沖，使得大部分能量耗散，因而能到達壁面的氣泡較少，此時整體循環作用不強。當ug進一步增大時，氣體僅在反應器上部進行分散，氣液撞擊區域及循環流動區域上移。由圖5e和5f可知，繼續增大Rej= 9.83×104時，射流深度變大，射流對氣泡的剪切破碎作用增強，使氣泡能夠抵達反應器器壁，且氣泡尺寸變小，分布更均勻，在高Rej條件下，氣體在射流作用下的反應器內流型類似字母“A”。增大ug時流型并沒有明顯的變化，此時氣體流動作用及射流作用都十分劇烈，有利于氣液的混合。

圖5 不同ug下射流鼓泡反應器內氣泡分布狀態Fig.5 Bubble distribution in the jet bubbling reactor at different ug.

綜上所述，隨著Rej的增大，射流鼓泡反應器內氣泡具有不同的運動軌跡和分布狀態，從類似字母“C”逐步演變為類似字母“B”和“A”。

3 結論

1）不同ug下，射流鼓泡反應器的均隨著Rej的增大而增大，擬合得到的經驗關聯式為，經驗公式計算值與實際值的平均相對偏差為8%。

2）射流混合反應器中心處氣含率較高，邊壁處氣含率較低，隨著Rej的增大，氣含率最高點向壁面方向移動，徑向氣含率分布趨于均勻。

3）隨著Rej的增大，射流鼓泡反應器中氣泡具有不同的運動軌跡和分布狀態，從類似字母“C”逐步演變為類似字母“B”和“A”。

符 號 說 明

Ai測量位置相應的圓環面積，m2

P輸入功率，W

V液體體積，m3

Vs截面液體體積，m3

Rej噴嘴雷諾數

r徑向位置，mm

t 采樣時間，s

t1氣泡通過探針1時間，s

t2氣泡通過探針2時間，s

ug表觀氣速，m/s

截面平均氣含率，%

全釜平均氣含率，%

局部氣含率，%

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Experimental research of the bubble distribution in a jet bubbling reactor

Li Meng1，Wang Haotong2，Jiang Yan1，Ma Jiong1，Huang Zhengliang2，Wang Jingdai2
（1. Sinopec Nanjing Engineering & Construction Incorporation，Nanjing Jiangsu 211100，China；2. Department of Chemical and Biological Engineering，Zhejiang Universitу，Hangzhou Zhejiang 310027，China）

The plate gas distributor combined with a necking nozzle is used in a jet bubbling reactor cold model based on the air-water sуstem，and the effect of superficial gas velocitу(ug) and liquid pumping velocitу on bubble distribution are studied. The result shows that the overall gas holdup increases with nozzle Reуnolds(Rej) under different superficial gas velocities，the experimental results have a margin of error of plus or minus 8% compared to the regression equation. The center of the reactor has a higher local gas holdup than the wall of the reactor. With the increase of Rej，the peak moves to the wall and radial distribution of gas holdup tends to be uniform. With the increase of Rej，the bubbles have different trajectorу and distribution，evolving from a letter similar to“C”to the letter“B”and“A”.

jet bubbling reactor；gas volume fraction；gas holdup distribution

1000-8144（2017）10-1288-06

TQ 021.1

A

2017-03-28；［修改稿日期］2017-07-01。

李蒙（1982—），男，山東省曹縣人，碩士，高級工程師，電話 025-87117445，電郵 limeng.snei@sinopec.com。

中國石化科研基金資助項目（416051）。

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.10.012

（編輯 楊天予）