鼓泡床实验讲义

实验讲义
一、实验目的
1.了解鼓泡床内的流体力学特性及系统的传热、传质特性，加强对反应工程中三传一反的理解
2.掌握压差法测气含率的原理及方法
二、实验原理
本反应器采用压差计对气含率进行测定。

压差计主要根据反应器内由于气体不断流出从而导致反应器压差变化的原理来进行测量。

由于反应器中大小气泡上升速度的差异，导致了反应器内压差随时间变化规律的不同。

对于上升速度近似相同的气泡群（例如大气泡群或小气泡群），反应器的压差随时间均匀变化，近似呈直线变化，所以当反应器内气泡分布发生变化时，反应器的压差变化规律也发生了变化。

差压传感器连接方法的不同，所测量的范围不同，可分为双引脚法和单引脚法。

双引脚法测量气含率，是指压差传感器两端均连接在液位以下，测量的是鼓泡时床层两引脚间的气含率。

单引脚法是指，差压传感器的一端连接在被测点（液位以下），另一端和塔顶相连，测量的是被测点和塔底之间的气含率。

两种方法的连接方式如下图所示。

本实验使用的是单引脚法测压差，差压传感器与反应器的连接方法如图2A
图1 图2
2
所示，稳定鼓泡时床层高度如图2B 所示，此时令测压点C 以下床层气含率为ε1，
C 点以上部分气含率为ε2，另外固液混合物近似看成浆态，其混合密度为 。

根据鼓泡前后液相质量守恒可得：
（2-1） 床层静止时CD 差压为P 0：
（2-2）
稳定鼓泡时差压为P 1：
（2-3） 由于ρg <<ρSL ，所以可以忽略：
（2-4） 由上式可得：
（2-5）
此时测量的为测量点C 点以下的平均气含率。

三、装置介绍
如附图A 所示。

本鼓泡塔反应器为一不锈钢圆柱体，全塔总高1900mm ， 由两个部分组成，下端为鼓泡反应段，内径是98mm ，上端为沉降段，属冷凝结构，此部分塔径略大于下端，壳层走冷却水，起沉降气体中夹带的液滴的作用。

这两部分之间用法兰连接。

反应器的温度由导热油加热套加热并由温度控制调节仪进行温度控制，系统压力采用压力调节器进行控制并调节。

空塔气速可通过电脑上主控界面进行设定控制。

四、实验流程
气路1和气路2的气体经过滤后分别通过质量流量计FI11、FI21控制计量后进入气体混合器，气体在此充分混合后再通过预热器加热到试验要求温度，加热后的混合气体从鼓泡塔底部吹入，经过塔底的气体分配器鼓入液相之中，从塔内的液体中逸出，从而产生气泡流，气体中夹带的液滴经过鼓泡塔上部的沉降段进行沉降后又回流到塔内，气体通过冷凝器冷却后进入气液分离器再次进行气液分
离，分离出的液体又回流到鼓泡塔内，气体通过背压阀PCV61调节后可直接排
SL ρ)(])1([21221H H g P SL g +-+=ρερε1022110)1)(()1(H H H H H +=-++-εε1
0gH P SL ρ=00011gH P gH P P SL SL ρρε∆=
-=)()1(2121H H g P
SL +-=ρε
空、经空干式气表计量后放空或进入色谱进行分析。

实验设备工艺流程见如附图B
五、实验步骤
5.1前期准备工作 一、加料
本实验装置在出厂前已在鼓泡塔内装填完填料，预热器和混合器中装满瓷球。

二、检验装置气密性
如图所示，关闭阀HV41、HV42、HV43、
PCV61、HV61（位置如图2-5所示），打开针形 阀HV31，缓慢向装置内充气至高于操作压力
0.5Mpa 后，关闭HV31阀门，观察压力表PI41 及压力传感器PT01,如每小时压降小于0.1Mpa
即认为气密合格可以进行下一步实验；如每小时 压降高于0.1Mpa 则要逐步找出泄漏点后进行相 应处理。

由于压差传感器出现故障，故采用U 形 图2-5控制面板示意图
管对压差进行测量。

5.2测气含率随表观气速（流量）的变化关系 实验条件 温度：常温23℃
压强：常压，背压阀PCV61调到最小，即塔顶与大气相连。

液位：阀HV42
测压点：阀HV44 实验步骤：
1) 向鼓泡塔内充液至阀HV42：如图2-6所示，
检查各阀，使阀HV42、HV45处于打启状态，阀HV44、HV43、HV41处于关闭状态；依次打开水
压力表
图2-6各操作点示意图
龙头和阀HV41进液，至水从阀HV42溢出时，立即依次关闭阀HV41和水龙头。

待阀HV42不再有水流出时，关闭阀HV42；
2)U形差压计的连接：将U形管的一端与塔顶相连如图所示，将压力传感器（阀HV44）卸掉，与U形管的另一端相接；
3)开冷凝器冷却水阀；
4)进入运行环境：打开电脑后打开装置电源开关，进入CBJGL-1大型综合型浆态鼓泡床实验装置控制系统登录界面，登陆并进入主控窗口；
5)装置充气及试验数据采集：将流量设定值改为0，把定压阀PCV21开到最小值，开气路2气瓶，开气路2（针形阀HV21），调节定压阀PCV21使压力表PI21的示数为0.2-0.5MP。

开塔温开关，设定反应温度。

关闭阀HV45，待流量稳定后读U形管两液柱高度。

改变流量（7组），读取U形管两液柱高度，记录数据。

5.3测气含率随液位的变化关系
实验条件：
温度：常温23℃
压强：常压，背压阀PCV61开到最小，塔顶与大气相连
测压点：阀HV44
液位：阀HV43、HV42、HV41
实验步骤：用如实验2.4.2步骤5所示的方法进行装置充气和测压点在阀HV42时的实验数据采集；
1)向鼓泡塔内充液至阀HV43：检查各阀，使阀HV43、HV45处于开启状态，阀HV44、HV42、HV41处于关闭状态；依次打开阀HV41和水龙头进液，至水从阀HV43溢出时，立即依次关闭阀HV41和水龙头。

待阀HV43不再有水流出时，关闭阀HV43；
2)将实验2.4.3中的U形管两端拔下，再从新接回原处；
3)开冷凝器冷却水阀并进入运行环境；
4)用如实验2.4.2步骤5所示的方法进行装置充气和液位在阀HV43时的实验数据采集；
5)改变液层高度阀HV42：关气路2（阀HV21）停止通气，打开阀HV45将塔
内余气放空，再打开阀HV43，将塔内液位放至阀HV42（待阀HV42不再有水流出时，关阀HV42）
进入组态环境如2.4.2步骤5所示进行阀HV42时的实验数据采集；
6)再次改变液层高度阀HV41：关气路2（阀HV21）停止通气，打开阀HV45将塔内余气放空后，先将将水龙头接口端卸掉，再开阀HV41，待阀HV41不再有水流出时，再关闭阀HV41，将HV41弯头接端卸掉，再打开阀HV41，使塔内水位放至阀HV41。

进入组态环境如实验2.4.2步骤5所示进行阀HV41时的实验数据采集。

5.4测气含率在塔内的轴向分布
实验条件：
温度：常温23℃
压强：常压，背压阀PCV61开到最小，塔顶与大气相连
液位：阀HV43
测压点：阀HV44、阀HV42、阀HV41
实验步骤：
1)在实验2.4.3的基础上向鼓泡塔内充液至阀HV43：检查各阀，使阀HV43、HV45处于打启状态，阀HV44、HV42、HV41处于关闭状态；依次打开阀HV41和水龙头进液，至水从阀HV43溢出时，立即依次关闭阀HV41和水龙头。

待阀HV43不再有水流出时，关闭阀HV43；
2)U形差压计的连接：将实验2.4.3中的U形管两端拔下，再从新接回原处；
3)开冷凝器冷却水阀并进入运行环境；
4)用如实验2.4.2步骤5所示的方法进行装置充气和测压点在阀HV44时的实验数据采集；
5)关气路2（阀HV21）停止通气，打开阀HV45将塔内余气放空；
6)改变测压点至阀HV42：将U形管接阀HV44的一端卸掉，接到阀HV42上，再将压力传感器重新连接到塔上；
7)如实验2.4.4步骤1将液位充至阀HV43；固定好U形管，打开阀HV42；
8)用如实验2.4.2步骤5所示的方法进行装置充气和测压点在阀HV42时的实
验数据采集；
9)改变测压点至阀HV41：关闭阀HV42，将U形管接阀HV42的一端卸掉，接到阀HV41上；
10)如实验2.4.4步骤1将液位充至阀HV43；固定好U形管，打开阀HV41；
11)用如实验2.4.2步骤5所示的方法进行装置充气和测压点在阀HV41时的实验数据采集；
5.5测气含率随温度的变化关系
实验条件：
压强：常压，背压阀PCV61开到最小，即塔顶与大气相连
温度：30℃-90℃
液位：阀HV42
测压点：阀HV41
实验步骤：
1)向鼓泡塔内充液至阀HV42：检查各阀，使阀HV43、HV45处于打启状态，阀HV44、HV42、HV41处于关闭状态；依次打开阀HV41和水龙头进液，至水从阀HV43溢出时，立即依次关闭阀HV41和水龙头。

待阀HV43不再有水流出时，关闭阀HV43；
2)U形差压计的连接：将U形管的一端与塔顶相连如图所示，将注水管卸掉，使U形管的另一端与阀HV41相接，打开阀HV41；
3)开冷凝器冷却水阀；
4)进入运行环境：打开电脑后打开装置电源开关，进入CBJGL-1大型综合型浆态鼓泡床实验装置控制系统登录界面，登陆并进入主控窗口；
5)装置充气及试验数据采集：将空塔气速设定值改为0，把定压阀PCV21开到最小值，开气路2气瓶，开气路2（针形阀HV21），调节定压阀PCV21使压力表PI21的示数为0.2-0.5MP。

开塔温开关，设定反应温度，关闭阀HV45，待流量稳定后读U形管两液柱高度。

改变流量（5组），
6)读取U形管两液柱高度，改变温度分别记录温度值为30、40、50、60、70、80、90时，流量与压差的关系。

六、数据处理
6.1.空塔气速对气含率的影响
表观气速是影响鼓泡床反应器中气含率的重要因素之一,实验考察了常温常压下，当测压点、液位高度一定时，不同空塔气速下的气含率值，实验结果见下表：
根据表中数据作ε-u 图和ln ε-lnu 图并回归数据求出空塔气速与气含率的关系表达式b aU =ε 6.2液位对气含率的影响
液位的改变也会对气含率产生影响,实验考察了,常温常压下，将测压点一定时，改变液位高度，得出不同液位下气含率随表观气速的变化关系。

作图
空塔气速u/m/s
lnu P ∆/MPa
气含率ε/% ln ε
________
________
液位HV
液位HV
液位HV
空塔气速 m/s
P ∆
MPa
气含率 % P ∆
MPa
气含率 % P ∆
MPa
气含率 %
6.3塔内气含率的轴向变化
鼓泡床中气含率的轴向分布是不均匀的，故实验将液位固定，改变测压点，得出不同测压点下，气含率随表观气速的变化关系
作图
6.4温度对气含率的影响
温度的变化改变了塔内流体的物性，也使气含率发生了变化。

实验测量了当测压点、液位、流量都为定值时，气含率与温度T 的变化关系。

实验结果如下：
七、注意事项
1.开装置电源前，一定要先将流量设定值改为0
2.开气瓶前一定要将定压阀调到最小值
3.塔温过高时不要接触塔身以免被烫伤 八、思考题：
1.什么是气含率影响气含率的因素有哪些？
测压点HV
测压点HV
测压点HV
空塔气速 m/s
P ∆
MPa
气含率 % P ∆
MPa
气含率 % P ∆
MPa
气含率 %
温度/℃
P ∆/MPa
气含率/%
2.开装置电源前为什么先将流量设定值改为0？
3.气含率随温度的变化关系是怎样的？为什么？
4.塔内气含率的轴向变化情况是怎样的？为什么？
参考答案：
1.操作条件：温度压力充液层高度空塔气速
液体物性：液体黏度表面张力密度
反应器本身：分布器塔径
2..防止流量过大损坏反应器
3. 因为随温度的升高，液体黏度降低，平均气含率随液体黏度的降低而升高，故，温度升高，气含率也升高
4.随测压点的升高，测压点以下的气含率呈下降趋势。

原因：固含率沿轴向由塔顶到塔底逐渐增大。

即浆态密度
SL
ρ增大，故由公式固含率沿轴向由塔顶到
塔底逐渐增大。

即浆态密度
SL
ρ增大，故由公式可知随测压点的升
高，气含率减小。

gH
P
SL
ρ
ε
∆
=。