鼓泡塔氣相特性及返混特性測定實(shí)驗(yàn)

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解鼓泡塔的結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)原理1. 氣含率氣含率是表征氣液鼓泡反應(yīng)器流體力學(xué)特性的基本參數(shù)之一。它直接影響反應(yīng)器內(nèi)氣液接觸面積，從而影響傳質(zhì)速率與宏觀反應(yīng)速率，是氣液鼓泡反應(yīng)器的重要設(shè)計(jì)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(yīng)器內(nèi)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(jì)測量時(shí)，兩測壓點(diǎn)平均氣含率為： 當(dāng)氣液鼓泡反應(yīng)器空塔氣速改變時(shí)，氣含率會(huì)作相應(yīng)變化，一般有如下關(guān)系： G (3)n取決于流動(dòng)狀況。對安靜鼓泡流，n值

2、在0.71.2之間；在湍動(dòng)鼓泡流或過渡流區(qū)，影響較小，n為0.40.7范圍內(nèi)。假設(shè) 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(biāo)繪，或用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，即可得到關(guān)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(yīng)器很重要的參數(shù)之一。許多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究工作，如光透法、光反射法、照相技術(shù)、化學(xué)吸收法和探針技術(shù)等，每一種測試技術(shù)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(yīng)的氣含率計(jì)算： (6)Gestrich許多學(xué)者的計(jì)算a的關(guān)系進(jìn)行整理比較，得到了計(jì)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(yīng)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(jīng)大量據(jù)數(shù)比較后確認(rèn)式(7)的計(jì)算偏差在之內(nèi)。3、鼓泡塔液相返混特性 描述返混的數(shù)學(xué)模型很多，較簡單實(shí)用的是一維擴(kuò)散模型。一維擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)驗(yàn)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(jì)模型參數(shù)Pe：估計(jì)的方法有多種，如矩量法、傳遞函數(shù)法、擬合法等。本實(shí)驗(yàn)采用矩量法，

4、需用到如下兩個(gè)定義：1 濃度c（t）的一階原點(diǎn)矩： （11）2 濃度c（t）的二階中心矩： （12）式中：數(shù)學(xué)期望； 方差或稱散度。由式（11）和式（12），可導(dǎo)出如下方程： （13）實(shí)驗(yàn)測得c（t）與t的關(guān)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(shè)備的主要技術(shù)數(shù)據(jù)流程圖：（見圖一）1 水箱 ，2水泵，3空氣壓縮機(jī)，4三通閥 ，5空氣流量計(jì)，6空氣進(jìn)量控制閥，7閥7 ，8示蹤劑儲(chǔ)罐 ，9測孔，10壓力表，11空氣進(jìn)料口 ，12示蹤劑進(jìn)口，13鼓泡塔，14電導(dǎo)電極 ，15電導(dǎo)率儀，16計(jì)算機(jī)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(jìn)料口 ，26液體流量控制閥 ，27液體流量計(jì)如圖一所示，示蹤劑緩沖罐內(nèi)配有飽和的氯化鉀溶液鼓泡塔：塔高2m, 反應(yīng)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(dá)到一定的小孔氣速。反應(yīng)器用有機(jī)玻璃管加工，便于觀察。反應(yīng)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(shí)驗(yàn)內(nèi)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(guān)，開啟水泵后將清水加入反應(yīng)器床層內(nèi)，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(yīng)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(nèi)充滿了水（排除掉由于零點(diǎn)漂移所造成的誤差）。（3）固定液體流量在一個(gè)適當(dāng)值，本實(shí)驗(yàn)可取水流量值為200L/h,并通過空氣流量計(jì)閥門調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。(4) 觀察床層內(nèi)氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)。(5) 等待壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后記錄各進(jìn)氣量下的壓差值。(6) 改變氣體流量，重復(fù)上述操作（可以做6-8個(gè)條件）。(7) 注意事項(xiàng)：在進(jìn)行鼓泡塔氣相特性測定時(shí)應(yīng)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(jī)相連的閥門）。 (8) 記錄下壓差值后安實(shí)驗(yàn)所給公式計(jì)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(dòng)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(chǔ)罐上方的壓力達(dá)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(guān)閉，泄壓。（3）取實(shí)驗(yàn)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(yù)定值），命令微機(jī)采集數(shù)據(jù)，啟動(dòng)電磁閥注入示蹤劑。采數(shù)結(jié)束后，采集軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)處理，并輸出結(jié)果TD（數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（本實(shí)驗(yàn)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(fù)兩次取數(shù)據(jù)，使PE值的相對誤差±5%。然后改變水流量進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，完畢為止。3、實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉空壓機(jī)、真空泵、進(jìn)水閥門、電導(dǎo)率

8、儀、微機(jī)系統(tǒng)等儀器設(shè)備的電源，并將所有儀器復(fù)原。五、注意事項(xiàng)1）試驗(yàn)開啟應(yīng)該先通水，到一定位置后約1m左右，開啟壓縮機(jī)鼓氣。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)應(yīng)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(yīng)，并且以要在銅管內(nèi)充滿水，這樣銅管內(nèi)無液體流動(dòng)，從根本上消除了“呼吸”作用，使銅管中無氣泡進(jìn)入，保證壓差測量準(zhǔn)確性。2）應(yīng)該在固定操作條件一段時(shí)間后，反應(yīng)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(gè)范圍內(nèi)呈穩(wěn)定波動(dòng)即可）3）在測定鼓泡塔內(nèi)氣相特性時(shí)將示蹤劑儲(chǔ)罐下方的進(jìn)氣閥7關(guān)閉；等到開始測定返混特性時(shí)應(yīng)將此閥7微開使示蹤劑儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升至0.1兆帕左右即可，示蹤劑打入后要關(guān)閉閥7。4）測定返混特性時(shí)將鼓泡塔裝置