多相流反应器流体特定实验

化学工程与工艺专业“综合型专业实验”

实验报告

多相流反应器流体力学测定（冷模试验）

摘要：本实验运用光纤探头对多相流气泡进行测量，考察流化床反应器中气泡的径向分布规律以及改变气速对气泡分布规律的影响。包括不同径向对气含率、气泡大小、气泡大小、气泡频率的影响。

关键词：流化床反应器探头法气含率

１实验研究意义

环流反应器是一类在鼓泡床的基础上发展起来的气-液、气-液-固多相反应器［1］。与机械搅拌釜不同,环流反应器是一种气体搅动装置,避免了由于密封、复杂的轴承或磁力驱动导致污染的可能性,还降低了设备的投资成本。与鼓泡床反应器相比,环流反应器具有液体定向流动的特点,在较低的表观气速下即可实现固体颗粒的完全悬浮,并且容易实现相间传质和反应热量的导入与导出,提高了操作弹性和稳定性。它综合了机械搅拌釜和鼓泡塔的优点,具有气含率高、传质速率快、气液混合好、结构简单和能耗低等优良特性[2]。然而由于对其流动与传质行为认识上的不足,目前在设计与放大过程上仍存在较大的不可预知性。因此,对其内部的流动与传质行为进行深入研究对于此类反应器的设计与放大具有重要意义。探头法是研究三维床中气泡行为应用较多的一种方法。与电导探头相比,光纤探头不仅适用于导电体系,也适用于非导电体系,尺寸可以做得更小,从而减小了对流场的干扰。光纤探头的良好性能引起研究者的重视,并在三相流化床中得到应用。本实验运用光纤探头对多相流气泡进行测量，考察流化床反应器中气泡的径向分布规律以及改变气速对气泡分布规律的影响。

2实验部分

2.1实验装置及流程

本实验的装置主要有提升管和液相循环系统，见图1。提升管为内径100mm、高3m的有机玻璃塔体。液相循环系统原本也用于固相分离，但本实验只采用气液两相系统，因此液相循环系统可省去颗粒分离器、颗粒储罐，仅需液相循环管和液相储罐。本实验使用空气和水作为实验原料。空气经气体加压机后，从提升管底部进入，经分布管进行气相分布。在提升管中与水接触，从提升管上部排空。本实验的水由顶部加入，达到可以循环的量，实验中不对水相进行添加。在提升管上设多个探测点，用于安装光导纤维探头。

图1环流流化床实验装置流程图

光纤探头多相流气泡测量系统的硬件组成如图2所示,主要由光源、分光器、光纤耦合器、光探测器、偏置放大电路、A/D采集板和PC机以及探头几部分组成.光源为连续式红外激光光源,探头由两根直径为62.5μm的通信光纤构成.综合考虑信号相关性和对采样速度以及存储空间的要求,确定探针的间距为0.9 mm 较为合适.由光源1发出的单束光经分光器2分成两束光,经光纤耦合器3进入光纤,在光纤尖端发生反射,当探头位于气相和液相时反射回的光信号强度不同,将这一光强信号通过光探测器4转换成电信号,再经放大电路进行放大处理得到标准电压信号,用计算机进行A/D采样得到原始信号,将原始信号进行数学处理后即得所需的气泡行为参数.

1-光源2-分光器3-光纤耦合器４-光探测器５-偏置放大电路６-Ａ/Ｄ采集板７-探头

图2光纤探头多相流气泡测试系统

2.2实验流程

（1）流化床试漏。先打开空气压缩机，而后往流化床提升管中加入一定量的水，水位高约提升管的3/5。观察提升管下部分布器和光纤探头插口是否漏水。

（2）将光纤探头插入流化床，注意不能让探头碰到管壁，否则使探头磨损而无法使用。插入后旋转光纤探针并使两探针的连线与水流方向平行。

（4）开蜗杆空气风机，调节空气流量计至所需的流量。

（5）将探针的另一端与光纤探头多相流气泡测量系统连接，并接通光纤探头多相流气泡测量系统的电源。

（6）打开计算机，以dos方式进入，运行sample文件进行采样。

（7）改变空气流速以及不同的径向位置，本实验采用的流量依次为0.2m3/ｈ、0.３m3/ｈ、0.４m3/ｈ、0.48 m3/ｈ，光纤探头深度每次抽出1cm。运行sample 文件进行采样。

（8）采样完毕，进入windows系统进行数据处理，检验数据的合理准确性。初步判断依据是：气泡弦长<气泡直径，且两探头测定得到的气含率要近似相等。

3实验结果与讨论

3.1实验数据处理结果

表1 数据处理结果

转子流量/

气含率气泡直径/mm 气泡频率/（1/s）

（m3/h）

0.2 0.027667 8.91975 10.73333333 光纤位置0cm

0.3 0.015333 8.8258 14.4

0.4 0.009 7.0392 11.12

0.48 0.004 4.455 7.68

0.2 0.05525 9.325333333 8.605 光纤位置+1cm

0.3 0.117667 9.393

0.4

0.48 0.03225 7.02475 11.875

0.2 0.057 6.0598 11.34 光纤位置-1cm

0.3 0.0446 6.095 9.26

0.4 0.0658 5.8252 13.8

0.48 0.0682 5.8276 14.54

由表1可画出图3、4、5：

图3 气含率随转子流量的变化关系图

图4 气泡直径随转子流量的变化关系图

图5 气泡频率随转子流量的变化关系图

3.2实验结果讨论

该处所说的气泡直径主要指气泡的SauterSauter直径［1］。气泡尺寸及其分

布的影响因素主要有表观气速、液相物性和反应器尺寸等。文献［1］中指出：表观气速增加,气泡的空间密度上升,气泡的聚并速率加快,气泡尺寸变大。从图3中基本可看出此趋势。

影响气含率的主要因素包括:表观气速、表观液速、系统压强、固体颗粒、气液相物性如表面张力及粘度、反应器尺寸及分布器构型等，其中表观气速的变化对气含率的影响最显著。由图4可看出，气含率随表观气速的增加而增加。此外，文献［1］报导称气速较低时近似呈线性关系,气速较高时气含率随气速增加而增加的趋势减弱。由图5可以看出，随着气速的增加，气泡频率将变大。

参考文献

[1] 何广湘，杨索和，靳海波．气升式环流反应器的研究进展［J］．化学工业与工程．2008，25（1）

[2] 胡发亭，霍卫东，史士东，张帆．环流反应器流体力学参数测定技术研究［J］．化工科技．2007，15（1）

[3] 王铁峰，王金福，杨卫国，金涌．三相循环流化床中气泡大小及其分布的实验研究[J]．化工学报，2001(03)