气升式环流反应器

实验9 气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定

一．实验目的

1．了解气升式环流反应器的工作原理、结构形式及应用的领域。

2．掌握气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定方法。

3．掌握电导仪及测氧仪的使用方法。

4．学习利用组态王软件进行实验过程的数据采集和数据处理的方法。

二．实验原理

气升式环流反应器是近年来作为化学反应器和生化反应器而发展起来的一种新型高效气-液两相反应器和气-液-固三相反应器。气升式环流反应器是利用反应气体的喷射动能和液体的循环流动来搅动反应物料，所以具有结构简单、造价低、易密封、能耗低，也不会由于机械搅拌破坏生物细胞等优点。广泛用于化工、石油化工、生物化工、食品工业、制药工程和环境保护等领域。对反应器的结构尺寸进行恰当的设计后，能得到较好的环流流动的循环强度，在反应器形成良好的循环，促进固体催化剂粒子的搅动。因而环流反应器对于反应物之间的混合、扩散、传热和传质均很有利，既适合处理量大的较高粘度的流体又适合处理热敏感性的生物物质，还可用于气-液两相或气-液-固三相之间的非均相化学反应。

根据气升式环流反应器降液管的形式可将环流反应器分为环流反应器和外环流反应器两种。环流反应器是指气体从升气管下方喷射进入反应器，使得升气管中液体的气含率大于降液管中液体的气含率，引起两者之间存在密度差，从而使得环流反应器中的液体在气体带动下得以循环起来。外环流反应器是指将降液管移到反应器的外面，循环原理和环流反应器相同。

实验中利用体积膨胀高度法测定气含率ε；利用电导脉冲示踪法测量液体循环速度u L；利用动态溶氧法测定氧体积传质系数K L a。

三．实验装置和流程

1．实验装置

气升式环流反应器的结构简图见图2-9-1，实物装置见图2-9-2。进入反应器的气体喷射至升气管后，由于气体的喷射动能和升气管流体的密度降低，迫使升气管中流体向上，降液管中流体向下做有规则的循环流动，从而在反应器中形成良好的混合和反应条件。

气升式外环流反应器的结构简图，见图2-9-3，实物装置见图2-9-4。

图2-9-1 环流反应器的结构简图图2-9-2 环流反应器实物装置图

图2-9-3 外环流反应器的结构简图图2-9-4 外环流反应器实物装置图环流反应器是作为气-液两相或气-液-固三相反应器而应用于生物化工或其他化学反应过程，因此传质性能往往成为过程的控制因素，能否提供良好的传质条件对环流反应器的应用具有决定意义。本实验在气升管尺寸不变的情况下，通过改变不同的气体流量，测定了设备的流体力学性能（气含率 ，液体循环速度L u等）及传质特性（氧体积传质系数K

a

）。这三个指标既是衡量气升式环流反应器传递性能的重要指标，也是环流反应器设计L

和工程放大的重要参考数据。

2．实验流程

实验流程见图2-9-5。本实验装置是以水和空气作为介质。气泵送入的空气经阀门调

节和流量计计量后由升气管下方喷嘴进入反应器与液体混合。气体在反应器随反应液一起循环，一部分气体随降液管循环回反应器底部再进入气升管，另一部分气体则从反应器上方排出。N 2由钢瓶经减压阀，通过流量计计量后进入反应器中，用来在测定氧传质系数的实验前排除水中的溶解氧。

图2-9-5 实验流程图

四．实验操作步骤及计算方法

1． 气含率ε的测定

气含率ε是表征反应器流体力学性能的重要参数之一。本实验利用体积膨胀高度法测量反应器中的平均气含率ε，计算公式可采用下式： %100)

(0⨯-=

H

H H ε (2-9-1) 式中：H ——鼓气后液体膨胀高度；H 0——清液层高度。

实验步骤：先关排水阀6，关进气阀5，关N 2进气阀3，开进水阀7，将水放至反应器一定高度（一般与升气管顶部相平齐），记下此高度即为H 0，停止进水。启动气泵，开进气阀5，调节阀4（可与放空阀2配合调节），将气量调节为一个定值（一般在实验中可做5个气量，从0.5 m 3

/h ——2.5 m 3

/h ）。待气量稳定后，读取反应器液体膨胀高度H ，则利用

上述的公式求得该气量下的气含率ε。 2．液体循环速度u L 的测定

液体循环速度u L 是决定反应器循环和混合特性的重要参数之一。本实验用电导脉冲示踪法测量液体循环速度u L 。计算公式可采用下式：

t

L

u L =

（2-9-2） 式中：L 为液体循环一周的距离；m ；t 为为循环一周所用的时间，s ；

对于环流反应器：

]2

2[H L 内内外升）

（R R R +-+= （2-9-3）

式中：升H 为升气管的高度，m ；外R 和内R 分别为外筒和筒的半径，m 。

对于外环流反应器：

]L 2[H L '+= (2-9-4)

式中：H 为反应管的高度，m ；L '为升气管和降液管间的水平距离，m 。

电导探头在反应器侧壁的位置已固定，因此液体循环一周的距离L 为定值，故只需测出循环一周所需时间t ，即可得出液体循环速度。

循环时间t 的测量采用电导示踪法，利用计算机数据采集系统来进行测量。 实验步骤：开启气泵，调节到一定的气量，待稳定后从环流反应器上方快速倒入25ml 饱和氯化钠盐水，这时在计算机的数据采集系统显示屏上会出现一条衰减振荡的正弦曲线。第1个波峰和第2个波峰之间的时间间隔为t 1；第2个波峰和第3个波峰之间的时间间隔为t 2；第3个波峰和第4个波峰之间的时间间隔为t 3；则平均循环时间为：

3

t t t t 3

21++=

（2-9-5）

也可用第4个波峰和第5个波峰之间的时间间隔t 4为来验证一下。

液体循环速度u L 的计算机组态王软件实验数据采集界面如图2-9-6所示。