鼓泡反应器中气含率及比表面积测定(修改)

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实验 鼓泡反应器中气含率及比表面的测定
一、 实验目的
气液鼓泡反应器的气泡比表面和气含率是判别反应器流动状态、传质效率的重要参数。

气含率是鼓泡反应器中气相所占的体积分率，也是决定气泡比表面的重要参数。

气含率的测定方法很多，有体积法、重量法、光学法等。

气泡比表面是单位液相体积的相界面积，其测定方法有物理法、化学法等。

己有许多学者对此进行了系统研究，确定了气泡比表面与气含率的计算关系，可以直接应用。

本实验目的为：
（1） 掌握静压法测定气含率的原理与方法； （2） 掌握气液鼓泡反应器的操作方法； （3） 了解气液比表面的确定方法。

二、 实验原理 （1） 气含率
气含率是表征气液鼓泡反应器流体力学特性的基本参数之一，它直接影响反应器内气液接触面积，从而影响传质速率与宏观反应速率，是气液鼓泡反应器的重要设计参数。

测定气含率的方法很多，静压法是较精确的一种，基本原理由反应器内伯努利方程而来，可测定各段平均气含率，也可测定某一水平位置的局部气含率。

根据伯努利方程有：
⎪⎭
⎫
⎝
⎛⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+=dH dp
g g L c G ρε1 (1) 采用U 型压差计测量时，两测压点间的平均气含率为：
H
h
G ∆=
ε (2) 当气液鼓泡反应器空塔气速改变时，气含率G ε会作相应变化，一般有如下关系：
n
G G u ∝ε
(3)
n 取决于流动状况。

对安静鼓泡流，n 值在0.7～1.2之间；对湍动鼓泡流或过渡流，G u 影响较小，n 在0.4—0.7
范围内。

假设 n
G G ku =ε
(4)
则
G G u n k lg lg lg +=ε
(5)
根据不同气速下的气含率数据，以G εlg 对G u lg 作图标绘，或用最小二乘法进行数据拟合，即可得到关系式中的参数k 和n 。

（2） 气泡比表面
气泡比表面是单位液相体积的相界面积，也称气液接触面积、比相界面积，也是气液鼓泡反应器很重要的参数之一。

许多学者进行了这方面的研究工作，如光透法、光反射法、照相技术、化学吸收法和探针技术等，每一种测试技术都存在着一定的局限性。

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气泡比表面积a 可由平均气泡直经d us 与相应的气含率G ε计算：
a 6G
us
d ε=
(6)
Gestrich 对许多学者计算a 的关系进行整理比较，得到了计算a 值的公式：
a 0.3
.302600O OO G H K D ε⎛⎫
= ⎪⎝⎭
(7)
方程式适用范围：
s
m u G 60.0≤
242.20
≤≤
D
H 11
5
10107.5<≤⨯K
因此在一定的气速G u 下，测定反应器的气含率G ε数据，就可以间接得到气泡比表面a 。

Gestrich 经大量数据比较后确认其计算偏差在%15±之内。

三、 预习与思考
(1) 试叙述静压法测定气含率的基本原理； (2) 气含率与那些因素有关?
(3) 气液鼓泡反应区内流动区域是如何划分的? (4) 如何获得反应器内气液比表面a 值？ 四、 实验装置与流程
实验装置见图1。

实验室气液鼓泡反应器直径φ约为100mm ，高H 约为1400mm ，气体分布器采用＋字型，并有若干小孔
使气体达到一定的小孔气速。

反应器用有机玻璃管加工，便于观察。

壁上沿轴向开有一排小孔与U 型压力计
相接，用于测量压差。

由空气压缩机来的空气经转子流量计计量后进入鼓泡反应器的进口；反应器预先装水至一定高度；气体经气体分布器通入床层，并使床层膨胀，记下床层沿轴向的各点压力差数值。

改变气体流量可使床层气含率发生变化，并使床层气液相界面发生相应变化。

1
2
3
4
56
7
P。

图1 鼓泡反应器气泡比表面及气含率测定实验装置 1–空压机；2–缓冲罐；3–流量计；4–调节阀；
5–反应器；6–放料口；7–压差计
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五、实验准备工作 1. 实验器具
丁字尺、游标卡尺、洗耳球各一个 温度计一支 2. 熟悉设备及操作
熟悉流量计、空气压缩机的操作； 熟悉U 型压差计的读数。

六、 实验步骤及方法
（1） 将清水加入反应器床层中，至一定刻度处； （2） 测定鼓泡反应器的内外径、静液层高度及水温；
（3） 检查U 型压力计中液位在同一个水平面上，防止有气泡存在； （4） 通空气开始鼓泡，并逐渐调节流量值至某一值； （5） 观察床层气液两相流动状态； （6） 稳定后记录各点U 型压力计刻度值；
（7） 改变气体流量，重复上述操作（可做8～10个条件）； （8） 关闭气源，将反应器内清水放尽。

七、 实验数据处理
气体流量可在空塔气速s m 50.0~s m 05.0中选取10~8个实验点。

记录下每组实验点的气速，各测压点读数，并由公式(2)，计算每二点间的气含率，从而求出全塔平均气含率G ε；按不同空塔气速G u 下的实验结果，在双对数坐标纸上以G ε对G u 进行标绘，或用最小二乘法拟合，可以得到式(4)之参数k 与n 。

利用式(7)计算不同气速G u 下的气泡比表面a ，并在双对数坐标纸上绘出a 与G u 的关系曲线。

八、 结果及讨论
（1） 分析气液鼓泡反应器内流动状态的变化；
（2） 根据实验结果讨论G ε与G u 关系，并分析实验误差； （3） 由计算结果分析气泡比表面与G u 的变化关系。

九、 主要符号说明 a - 气泡比表面, [
]
3
2
m m
；
us d - 气泡平均直径， []m ；
D - 塔直径， []m ； c g - 转换因子；
0H - 静液层高度， []m ；
h ∆ - 两测压点间U 型压差计液位差， []m ； H - 两测压点间的垂直距离， []m ；
K - 液体模数，43
=μ
ρσg K ；
n k , - 关联式常数；
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G u - 空塔气速， []m ； L ρ - 液体密度， [
]
3
m kg ；
G ε - 气含率；
μ - 液体粘度， []s m kg ⋅；
σ - 液体表面张力， []
2s kg 。

参 考 文 献
[1] 姜信真 . 气液反应理论与应用基础 . 北京：
烃加工出版社，。