鼓泡塔氣相特性及返混特性測定實驗

1、一、實驗目的 1. 了解鼓泡塔的結構和操作方法；2. 測定鼓泡塔的氣含率G，氣體比表面a，返混程度參數(shù)Pe等。二、實驗原理1. 氣含率氣含率是表征氣液鼓泡反應器流體力學特性的基本參數(shù)之一。它直接影響反應器內氣液接觸面積，從而影響傳質速率與宏觀反應速率，是氣液鼓泡反應器的重要設計參數(shù)。測定氣含率的方法很多，靜壓法是較精確的一種，基本原理由反應器內柏努力方程而來，可測定各段平均氣含率，也可測定某一水平位置的局部氣含率。根據(jù)柏努利方程有： 采用U型壓差計測量時，兩測壓點平均氣含率為： 當氣液鼓泡反應器空塔氣速改變時，氣含率會作相應變化，一般有如下關系： G (3)n取決于流動狀況。對安靜鼓泡流，n值

2、在0.71.2之間；在湍動鼓泡流或過渡流區(qū)，影響較小，n為0.40.7范圍內。假設 G =k (4)則 (5)根據(jù)不同氣速下的氣含率數(shù)據(jù)，以對作圖標繪，或用最小二乘法進行數(shù)據(jù)擬合，即可得到關系式中參數(shù)k和n值。2.氣泡比表面氣泡比表面是單位液體積的相界面積，也稱氣液接觸面積、比相界面積，也是氣液鼓泡反應器很重要的參數(shù)之一。許多學者進行了這方面的研究工作，如光透法、光反射法、照相技術、化學吸收法和探針技術等，每一種測試技術都存在著一定的局限性。氣泡比表面積a可由平均氣泡直徑與相應的氣含率計算： (6)Gestrich許多學者的計算a的關系進行整理比較，得到了計算a值的公式： (7)其中K-液體模

3、數(shù) :;方程式適用范圍：uG0.60m/s 因此在固定氣速uG下，測定反應器的氣含率G數(shù)據(jù)，就可以間接得到氣液化表面a 。 Gestrich經大量據(jù)數(shù)比較后確認式(7)的計算偏差在之內。3、鼓泡塔液相返混特性 描述返混的數(shù)學模型很多，較簡單實用的是一維擴散模型。一維擴散模型的數(shù)學表達式： (8) （9）式中Pe為彼克列數(shù)，描述返混程度的模型參數(shù)。對式（8）求解：定解條件：實驗采用脈沖法加入示蹤劑，在上游處測定示蹤劑濃度，閉式容器，列出如下定解條件：取 初始條件：邊界條件： 用Laplace變換解得： （10）估計模型參數(shù)Pe：估計的方法有多種，如矩量法、傳遞函數(shù)法、擬合法等。本實驗采用矩量法，

4、需用到如下兩個定義：1 濃度c（t）的一階原點矩： （11）2 濃度c（t）的二階中心矩： （12）式中：數(shù)學期望； 方差或稱散度。由式（11）和式（12），可導出如下方程： （13）實驗測得c（t）與t的關系數(shù)據(jù)，由式（11）求得，由式（12）求得，通過（13）求得Pe的值。三、流程及設備的主要技術數(shù)據(jù)流程圖：（見圖一）1 水箱 ，2水泵，3空氣壓縮機，4三通閥 ，5空氣流量計，6空氣進量控制閥，7閥7 ，8示蹤劑儲罐 ，9測孔，10壓力表，11空氣進料口 ，12示蹤劑進口，13鼓泡塔，14電導電極 ，15電導率儀，16計算機采集系統(tǒng) ，17溢流管 ，18壓力傳感器 ，19閥19 ，20壓差

5、表 ，21流體分布器，22放液閥 ，23回流管閥 ，24放液閥 ，25液體進料口 ，26液體流量控制閥 ，27液體流量計如圖一所示，示蹤劑緩沖罐內配有飽和的氯化鉀溶液鼓泡塔：塔高2m, 反應器直徑為200mm, 氣體分布器采用十字型，并有若干小孔使氣體達到一定的小孔氣速。反應器用有機玻璃管加工，便于觀察。反應器壁面沿軸向開有一排小孔與壓力傳感器相連，用于測量壓差。四、實驗內容和操作步驟1、氣含率及氣泡比表面的測定（1）系統(tǒng)接上電源，打開總開關，開啟水泵后將清水加入反應器床層內，至一定高度（約1.5m）。（2）檢查一下壓差表讀數(shù)是否為0，如果不是則應該打開與壓差傳感器相連的銅管上的閥門1將水銅管

6、內充滿了水（排除掉由于零點漂移所造成的誤差）。（3）固定液體流量在一個適當值，本實驗可取水流量值為200L/h,并通過空氣流量計閥門調節(jié)進氣量。(4) 觀察床層內氣液兩相流流動狀態(tài)。(5) 等待壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后記錄各進氣量下的壓差值。(6) 改變氣體流量，重復上述操作（可以做6-8個條件）。(7) 注意事項：在進行鼓泡塔氣相特性測定時應保證閥2全開（回液閥門），閥3全閉（放水閥門），閥4（回液閥門）全閉，閥5全閉（密閉容器與壓縮機相連的閥門）。 (8) 記錄下壓差值后安實驗所給公式計算處氣含率和氣泡比表面。2、返混特性參數(shù)Pe數(shù)的測定（1）啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其處于工作狀態(tài)。（2）將閥門5微開

7、，使得的示蹤劑儲罐上方的壓力達到0.1兆帕左右,在開啟電磁閥通入示蹤劑之后即可將閥5關閉，泄壓。（3）取實驗數(shù)據(jù)：待系統(tǒng)穩(wěn)定之后（即空氣流量、水流量穩(wěn)定在預定值），命令微機采集數(shù)據(jù)，啟動電磁閥注入示蹤劑。采數(shù)結束后，采集軟件會自動進行數(shù)據(jù)進處理，并輸出結果TD（數(shù)學期望），DD（方差）和PE（彼克列數(shù)）。 維持空氣流量不變，改變水的流量，取實驗數(shù)據(jù)。（本實驗中可取空氣流量為1m3/h,水的流量分別取為60，100，150，200（5）每一水流量條件下，重復兩次取數(shù)據(jù)，使PE值的相對誤差±5%。然后改變水流量進行下一個實驗，完畢為止。3、實驗完畢后，關閉空壓機、真空泵、進水閥門、電導率

8、儀、微機系統(tǒng)等儀器設備的電源，并將所有儀器復原。五、注意事項1）試驗開啟應該先通水，到一定位置后約1m左右，開啟壓縮機鼓氣。實驗開始時應保證與靜態(tài)壓差傳感器與直徑為0.8mm的銅管相連，避免了彈性效應，并且以要在銅管內充滿水，這樣銅管內無液體流動，從根本上消除了“呼吸”作用，使銅管中無氣泡進入，保證壓差測量準確性。2）應該在固定操作條件一段時間后，反應器穩(wěn)定后在讀取壓差表的讀數(shù)（這里的穩(wěn)定指的是瞬態(tài)穩(wěn)定，即壓差表的讀數(shù)在某一個范圍內呈穩(wěn)定波動即可）3）在測定鼓泡塔內氣相特性時將示蹤劑儲罐下方的進氣閥7關閉；等到開始測定返混特性時應將此閥7微開使示蹤劑儲罐內壓力升至0.1兆帕左右即可，示蹤劑打入后要關閉閥7。4）測定返混特性時將鼓泡塔裝置