鼓泡塔气相特性及返混特性测定实验

一、实验目的

1. 了解鼓泡塔的结构和操作方法；

2. 测定鼓泡塔的气含率εG ，气体比表面a ，返混程度参数Pe 等。

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柏努力方程而来，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。根据柏努利方程有：

1c G L g dp g dH ερ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (1)

采用U 型压差计测量时，两测压点平均气含率为：

G h

H

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：

εG ∝n G

u (3) n 取决于流动状况。对安静鼓泡流，n 值在0.7～1.2之间；在湍动鼓泡流或过渡流区，G u 影响较小，n 为0.4～0.7范围内。

假设 εG =k

n G

u (4)

则 G G u lg n k lg lg +=ε (5)

根据不同气速下的气含率数据，以1G g ε对1G n gu 作图标绘，或用最小二乘法进行数据拟合，即可得到关系式中参数k 和n 值。 2.气泡比表面

气泡比表面是单位液体积的相界面积，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。

气泡比表面积a 可由平均气泡直径us d 与相应的气含率G ε计算：

us

G

d 6a ε=

(6)

Gestrich 许多学者的计算a 的关系进行整理比较，得到了计算a 值的公式：

0.30.003

026.0(

)G H a K D

ε=⋅⋅ (7) 其中K-液体模数 :L L

L

K g ρσμ=; 方程式适用范围： u G ≤0.60m/s 0

2.224H D

≤

≤ 5115.71010K ⨯≤<

因此在固定气速u G 下，测定反应器的气含率εG 数据，就可以间接得到气液化表面a 。 Gestrich 经大量据数比较后确认式(7)的计算偏差在15%±之内。 3、鼓泡塔液相返混特性

描述返混的数学模型很多，较简单实用的是一维扩散模型。一维扩散模型的数学表达 式：

θ

∂∂=∂∂-∂∂⋅c z c z c Pe 221 (8) Dax

UH

Pe =

（9） 式中P e 为彼克列数，描述返混程度的模型参数。对式（8）求解：

定解条件：实验采用脉冲法加入示踪剂，在上游处测定示踪剂浓度，闭式容器，列出如下定解条件：

取 ),(θz f c = 初始条件：0)0,(=z c 边界条件：()θθ1),0(c c = 有限量=∞),(θc 用Laplace 变换解得：

()⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡--⎪⎭⎫ ⎝⎛=2314ex p 2)(θθπθθPe Pe c （10） 估计模型参数Pe ：估计的方法有多种，如矩量法、传递函数法、拟合法等。本实验采用矩量法，需用到如下两个定义：

⑴ 浓度c （t ）的一阶原点矩：

()()t dt

t c tdt t c M ˆ001=⎰⎰=∞∞

（11）

⑵ 浓度c （t ）的二阶中心矩：

()()()()()

22002002ˆˆt t

dt

t c dt t t c dt

t c dt t t t c M θ=-⎰⎰=

⎰⎰-=∞

∞∞

∞ （12）

式中：t ˆ—数学期望； 2t θ—方差或称散度。

由式（11）和式（12），可导出如下方程：

()

Pe t Pe Pe t

θθθθ-⎪⎭⎫ ⎝⎛-==1122ˆ2

22

2 （13）

实验测得c （t ）与t 的关系数据，由式（11）求得t ˆ，由式（12）求得2t θ，通过（13）求得Pe 的值。

三、流程及设备的主要技术数据

流程图：（见图一）

1— 水箱 ，2—水泵，3—空气压缩机，4—三通阀 ，5—空气流量计，6—空气进量控制阀， 7—阀7 ，8—示踪剂储罐 ，9—测孔，10—压力表，11—空气进料口 ，12—示踪剂进口，13—鼓泡塔，14—电导电极 ，15—电导率仪，16—计算机采集系统 ，17—溢流管 ，18——压力传感器 ，19—阀19 ，20—压差表 ，21—流体分布器，22—放液阀 ，23—

回流管阀，24—放液阀，25—液体进料口，26—液体流量控制阀，27—液体流量计如图一所示，示踪剂缓冲罐内配有饱和的氯化钾溶液

鼓泡塔：塔高2m, 反应器直径为200mm, 气体分布器采用十字型，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。反应器壁面沿轴向开有一排小孔与压力传感器相连，用于测量压差。

四、实验内容和操作步骤

1、气含率及气泡比表面的测定

（1）系统接上电源，打开总开关，开启水泵后将清水加入反应器床层内，至一定高度（约1.5m）。

（2）检查一下压差表读数是否为0，如果不是则应该打开与压差传感器相连的铜管上的阀门1将水铜管内充满了水（排除掉由于零点漂移所造成的误差）。

（3）固定液体流量在一个适当值，本实验可取水流量值为200L/h,并通过空气流量计阀门调节进气量。

(4) 观察床层内气液两相流流动状态。

(5) 等待压力表读数稳定后记录各进气量下的压差值。

(6) 改变气体流量，重复上述操作（可以做6-8个条件）。

(7) 注意事项：在进行鼓泡塔气相特性测定时应保证阀2全开（回液阀门），阀3全闭（放水阀门），阀4（回液阀门）全闭，阀5全闭（密闭容器与压缩机相连的阀门）。

(8) 记录下压差值后安实验所给公式计算处气含率和气泡比表面。

2、返混特性参数Pe数的测定

（1）启动数据采集系统，使其处于工作状态。