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以鲍尔环为内构件的鼓泡塔反应器的流体力学性能

2019-08-31      阅读:
对二甲苯氧化合成对苯二甲酸常用鼓泡塔作为气液反应器,以填料为内构件可以强化鼓泡塔反应器的气液接触状况,从而提高反应速率。以金属鲍尔环为内构件,考察鼓泡塔反应器的气液接触状况,采用高速摄像技术对气泡群进行图像分析,同时利用体积膨胀法测定气含率,研究不同型号鲍尔环作用下的气含率、气泡尺寸和粒径分布。结果表明,Φ25 鲍尔环对气泡的切割效果最好,气泡的尺寸分布较为集中,主要处于 3.00~6.00 mm 之间,Sauter 平均直径随气速增大而增大,并在高气速下趋于平缓;鼓泡塔反应器的气含率随气速增大而增大,且鲍尔环尺寸越小气含率越大。利用实验数据进行非线性回归,得到在实验气速范围内气含率与气泡 Sauter 平均直径、比表面积的关联式,计算值与实验结果较为吻合。

鼓泡塔是一种最常见的气-液两相反应装置,具有结构简单、操作方便、无移动部件及传热传质性能好等优点,被广泛应用于氧化、加氢、氯化、羰基化、费托合成等多种反应过程[1-3]。鼓泡塔反应器依靠气泡浮力驱动液相循环及混合,并通过气液界面进行气液相间物质及能量传递。因此,鼓泡塔反应器中气液接触面积和两相间传质系数均与气泡尺寸密切相关。我国对于对苯二甲酸(PTA)有较大的市场需求,突出的供需矛盾和可观的利润率促使大量 PTA 装置投产,对二甲苯氧化合成对苯二甲酸常用鼓泡塔作为气液反应器,然而由于传统的鼓泡塔反应器中气泡聚并和返混现象严重,难以得到尺寸较小的气泡群以保证气液相间充分接触。
 
近年来,众多研究者对传统鼓泡塔反应器进行了一系列改进,在其中设置填料、静态混合器、气体分布器[4-6] 等内构件进一步强化鼓泡塔的气液接触状况。其中,加入不同的填料可以有效切割气泡,使气液能充分地接触。Matías 等[7] 研究了三相鼓泡塔中规整填料对气含率的影响,证实了填料能有效提高气含率,并得到填料作用下气含率的关联式;Daeseong
 
等   [8] 研究了填料床层中气泡破碎和聚并的机理,确定了填料切割气泡的作用;刘春江等[9] 对装填规整填料鼓泡塔内的鼓泡流动进行了 CFD 模拟;祁贵生等[10]研究了 3 种不同类型填料对错流旋转填料床气液传质特性的影响,优选出最佳填料。然而对特定填料作用下的气泡粒径分布规律和填料尺寸对于鼓泡塔流体力学性能的影响鲜有研究。
 
高速摄像技术是通过高速摄像机拍摄气泡运动状态并通过图像分析获取气泡参数,是研究气液两相流的常用方法。Kazakis 等[11] 采用高速摄像法研究不同孔径分布器鼓泡时的气泡形态和直径分布,得到气泡直径的数学关联式;Giorgio 等[12] 利用高速摄像技术研究气体进口为多孔分布管的鼓泡塔的流体力学性能,并得到气泡直径和比表面积的关联式,为工业放大提供了设计依据。以填料为内构件的鼓泡塔中,填料自身的特性参数如空隙率和比表面积对气泡尺寸和气液相比表面积的定量关系至今也鲜有报道。

本研究选用不同型号的金属鲍尔环作为鼓泡塔反应器内填料,利用高速摄像技术采集气泡尺寸信息,研究不同型号鲍尔环作用下的气含率、气泡尺寸和粒径分布,确定最合适的填料型号,同时得到填料作用下全塔的平均气含率、气泡尺寸和气液相比表面积的关联式,为工业化研究提供理论和设计依据。
 
1         实验装置及方法
 
1.1    实验装置
 
鼓泡塔实验装置如图 1 所示。反应管由有机玻璃制成,尺寸为 Φ130 mm×1 000 mm。反应管由两段构成,上段为气液接触段,长 600 mm,下段为散堆鲍尔环,长 400 mm,两段之间由法兰连接,平静时液面高度为 850 mm。进口形式采用中心开孔的单孔板,孔径为 4 mm。气室、孔板与反应管通过法兰连接,材质都为有机玻璃。
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实验时气体由小型空气泵输送,并经转子流量计计量后输入鼓泡塔反应器中。当气体在气室内稳定后通过分布板经不同型号填料切割形成较小气泡。在气泡上升过程中,使用美国 VRI 公司的 Phantom 系列 LC321S 高速数字摄像机,垂直于鼓泡塔背光拍摄获得气泡图像信号,拍摄位置距离填料层 260 mm。高速摄像机与电脑相连,可以实时采集图像信息。
 
1.2  数据处理
 
利用高速摄像机采集分辨率为 720×1 200 的气泡图像,通过高速摄像机所配套的 Phantom Camera Control 软件测量气泡尺寸。为确保气泡尺寸测量结果的准确性,每个条件下至少统计 300 个气泡。
 气泡可变形,呈现不同的形状。为便于统计,本文采用 Ellingsen 等[13] 提出的方法,将气泡的投影近似看成椭圆形,采用长轴和短轴来描述气泡形状尺寸,如图 2 所示,其长轴和短轴分别表示为 2a 和 2b,则单个气泡的体积等效直径可以表示为:
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式中,dBi 为第 i 个气泡的等效直径,单位为 mm;ni
 
气泡的序数;N 为气泡总数目。
 
1.3  填料选择
 
本文选用 5 种与所用鼓泡反应器塔径可匹配的金属鲍尔环,其比表面积和空隙率如表 1 所示,其中 α 为比表面积,φ 为空隙率,Φ 为直径,H 为高度。填料采用乱堆的方式装填,填料层总高度为 400 mm。
表 1  不同鲍尔环规格表
 
Table 1       Specification of different types of Pall rings

 
Types Φ×H/mm2 α/(m2·m−3) φ/%
Φ10 10×10 482 91.6
Φ16 16×16 342 92.8
Φ25 25×25 206 93.4
Φ38 38×38 137 94.4
Φ50 50×50 107 94.9
       
 
2         结果与讨论
2.1    Sauter 平均直径
 
图   3 示出了不同型号鲍尔环作用下气泡 Sauter 平均直径随气速 uG 的变化情况。由3 可知,随着气速提高,气泡均有增大趋势,且增大趋势逐渐变缓。高气速条件下气泡尺寸变化不大的原因是由于高速气体所造成的强湍动作用加剧了气泡的破碎,
 
从而有利于产生较小的气泡。相比较而言,装填较大尺寸的鲍尔环,如 Φ50、Φ38,气泡 Sauter 平均直径在气速小于 0.004 m/s 范围内变化幅度较大,其原因与鲍尔环结构有关。尺寸较大的鲍尔环空隙率大,气泡可沿着空隙上升,因此气泡与填料间的碰撞、切割作用不够明显,使得气泡尺寸较大。
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图 3 也可发现,Φ25 鲍尔环作用下的气泡 Sauter 平均直径最小。使用鲍尔环作用气液接触存在一个最佳尺寸,这是因为当鲍尔环空隙率小到一定程度时,气泡进一步聚并为较大气泡的概率增大。可见,当采用填料强化鼓泡塔反应器中气液接触时,有必要综合考虑操作工况与填料结构的匹配。
 
影响气泡尺寸的因素众多,很多研究者对气泡的尺寸进行了关联,如文献 [14-15] 中的模型,但是这些模型都是基于无内构件的鼓泡塔而建立的。事实上气泡尺寸也受到填料结构的影响,因此有必要进一步将填料的结构参数如比表面积 α、空隙率 φ 与气泡尺寸进行关联。本研究选择 Re(雷诺数)、Fr(弗劳德数)、We(韦伯数)来建立关联式,其定义式分别为:

图 4 示出了 Sauter 平均直径的实验值 d32exp 与式(7)的计算值 d32cal 的比较结果,计算值与实验结果较吻合,偏差在±20% 以内,表明式(7)对于本体系有较好的适用性。
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2.2    气泡尺寸分布
 
气泡的 Sauter 平均直径反映了气泡群尺寸的均值,但无法获得气泡群尺寸的分布情况。图 5 统计了气速为 0.002 76 m/s(流量为 0.037 L/s)下各型号鲍尔环作用下的气泡尺寸的频率分布。由图可见,Φ10、Φ16、Φ38、Φ50 鲍尔环作用下产生的气泡尺寸较大,且尺寸分布较宽,相比之下 Φ25 鲍尔环下的气泡尺寸分布更集中,且 deq≤12 mm。
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利用高斯函数对图 5 中的气泡尺寸分布进行拟合,拟合曲线见图 5。表 2 给出了各拟合曲线的特征参数和分布函数。从表 2 可见,Φ25 鲍尔环作用下的气泡粒径分布的均值和标准差最小,其分布窄、集中性强、峰值高,与正态分布曲线拟合程度较高,说明在此工况下 Φ25 鲍尔环对气泡的切割作用最为显著、最稳定。
 
图 6 统计了 Φ25 鲍尔环作用下气泡群在不同气速下的尺寸分布情况。由图可见,当气体流速在 0.18~0.68 m/s(流量为 0.023~0.09 L/s)范围内,Φ25 鲍尔环产生的气泡尺寸分布均较为集中,主要处于 3.00~6.00 mm 之间,且表现出气泡分布窄、峰值高的特


点。随着气速增大,大尺寸气泡频率略有增加,但其尺寸都小于 12 mm,且气泡整体分布较为稳定。
 
2.3    平均气含率
 
气含率是表征鼓泡塔流体力学特性的一种特征参数,其定义为反应器中气相在气液混合相中的体积分数。本研究选用体积膨胀法[16] 计算平均气含率,其计算式为:

 
图   7 给出了气速 0~0.008 m/s(流量为 0~0.11 L/s)
 
范围内平均气含率随气速的变化关系。由图 7 可知,床层气含率随鲍尔环尺寸增大而提高。这是因为填料空隙越大,气泡运动受到的阻力越小,气泡能更快地溢出,导致大尺寸填料作用下的气含率较小;而小尺寸填料的床层阻力较大,可以滞留较多的气泡并且降低气泡上升的速度,使气含率升高。在实验气速范围内,气速低时对于气含率的影响并不明显,但随着气速的增大,气含率显著变大,在高气速下又趋于平缓。
 
本文对气泡切割效果最好的 Φ25 鲍尔环作用下的平均气含率与气速关系进行非线性拟合,如8 所示,得到实验气速范围内的关联式:
 
" = 132:52 uG2 + 2:28 uG (9)


 
2.4 气液相比表面积
气泡是气液间的传质和传热的重要场所,因此其气液相比表面积决定了气液相传质、传热的效率,进而影响反应进行的程度。气液相比表面积 aF 的计算式为:

本文仅讨论切割气泡效果最好的 Φ25 鲍尔环作用下的气液相比表面积。按照式(10)计算的比表面积实验值与气速的关系如图 9 所示。由图 9 可见Φ25 鲍尔环作用下的气液相比表面积随着气速的增大明显增大,在实验气速范围内最大可以达到 21 m2/m3。Φ25 鲍尔环作用下的气泡尺寸关联式为:

 
由式(9)~(11)可得 Φ25 鲍尔环作用下的气液相比表面积:

Φ25 鲍尔环作用下气液相比表面积的实验值与按式(12)的计算值进行比较,残差分析结果如图 10 所示,两者偏差在±20% 以内,证明上式有较好的相关性。

3  结   论
 
鲍尔环对于鼓泡塔气液接触有很好的强化作用,本文中 Φ25 鲍尔环对气泡的切割效果最好。Sauter平均直径随着气速的增大而增大,且在高气速下增大的趋势趋于平缓。利用实验数据进行非线性回归,得到实验气速范围内 d32 与气速、填料空隙率、气液相比表面积的关联式,计算值与实验结果较为吻合。鲍尔环尺寸越大,其作用下鼓泡塔反应器的气含率越大。这是因为填料空隙越大,气泡运动受到的阻力越小,气泡能更快地溢出,导致大尺寸填料作用下的气含率较小。本文建立了实验气速范围内气含率与气速、气液相比表面积的关联式,计算值与实验结果吻合较好。

符号说明
a —— 椭圆长半轴,mm  
 
aF —— 气泡比表面积,m2/m3  
 
b —— 椭圆短半轴,mm  

 
deq —— 等效直径,mm  
   
d32 —— Sauter 平均直径,mm  
Fr —— 弗劳德数  
   
HR —— 鼓泡时液面高度,mm  
 
   
H0 —— 平静时液面高度,mm  
 
   
   
Re —— 雷诺数  
 
uG —— 气速,m/s  
 
We —— 韦伯数  
 
   
α —— 填料比表面积,m2/m3  
 
   
ε —— 气含率  
   
ρL —— 液体密度,kg/m3  
   
ρG —— 气体密度,kg/m3  
σL —— 液体表面张力,N/m  
   
φ —— 填料空隙率  
 
μL —— 液体黏度,Pa·s  
 
μG —— 气体黏度,Pa·s  
 
 
 
 

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