CN115406804A - 射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法 - Google Patents

射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，采用高速摄像机测量气泡流动过程图像，采用微分压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率，揭示了受哭泣气泡影响的复杂尺寸分布的气泡湍流流动特性，且揭示了不同进口体积流率下均匀流动离散小尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡诱发大尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡破碎诱发产生微小尺寸气泡的流动特性和哭泣气泡影响气液湍流流动特性，建立了气泡比表面积与直管气流分布器进口体积流率的关系拟合式。本发明能提出不平衡入***流条件的优化策略，增加气泡比表面积以提高总传质能力，为反应器性能优化提供基础。

Description

射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法
技术领域
本发明属于气液多相湍流流动反应器技术领域，具体涉及一种射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法。
背景技术
气液鼓泡流化床反应器在催化裂化工业、靶向生物制药以及新能源领域得到广泛应用，其主要优点在于机械结构简单、运动部件少、较经济的运行成本、易控的液态流型控制及气液相间接触面积。气液湍流流动中气泡平均尺寸分布、气泡产生频率和相间接触面积、以及气泡间的相互作用，对传热传质的传递行为及产品转换率和获取收率影响较大。气液鼓泡流化床的三种气液主要湍流流动为离散均匀气泡流动、过渡流动和多尺寸分布气泡非均匀湍流流动，优化和控制的最终目的为获得小尺寸离散均匀气泡流动，这样的优点在于气泡尺寸分布均匀并容易实现流型的控制。***中出现大尺寸气泡是诱发气泡之间聚并、碰撞和破裂的主要因素，危害在于造成了气泡的非均匀湍流流动以及气泡间存在强烈的碰撞和破碎，气泡尺寸分布将呈现双峰值或多峰值分布，气泡均匀分布状态已经被破坏，导致气液湍流流动的可控性非常困难。
直管气流分布器的大量射流孔在加工制造和设计中，不平衡特性入***流是不可避免的。每个射流孔的流动取决于局部压力驱动力和动量守恒定律，困难在于如何选取动量恢复系数、射流孔径系数和摩擦因子等。当气流穿过射流孔的压力降不足以支撑液体时，导致液体回流堵塞或覆盖、干扰射流孔射流流动，此现象称之为气泡哭泣。此时，必将导致平衡射流体系的破坏而产生大尺度气泡，以及大量的射流孔发生气泡量尺寸不均匀。对大气泡的发生如何破坏直管射流分布器鼓泡流化床气泡湍流运动特性的研究目前仍为空白。
气泡哭泣产生的主要原因在于射流孔直径的加工不均匀性和射流孔排列拓扑结构的不合理性，导致较大射流孔直径的射流孔出现大尺度气泡的发生和发展，对均匀气液流动施加破坏性扰动。气泡平均尺寸和物性将对气液流动特性产生较大影响。大量实验和数值模拟研究已经证实，要准确掌握气泡尺寸的变化趋势，必须考虑气泡在脱离气流分布器表面或者附近区域的初始尺寸分布。大多研究均假定直管射流孔射流速度是平衡的，各个射流孔产生的气泡尺寸均一的均匀分布。不同气泡初始尺寸产生会改变气泡-液体的表观密度，影响传热和传质的能力。既然不同气泡初始尺寸产生是一种无法消除的现象，所以必须对其加以研究，掌握对湍流流动影响的规律，降低危害到最低限度。
当前的研究对于复杂的气液两相湍流流动本质的认知，无论在实验研究和基础理论探求均十分匮乏，如气泡间、气泡与液体间的相互作用，气液两相如何实现湍流流态的转变及流形判别的准则，变形的气泡运动碰撞、聚并和破碎，气泡各向异性弥散特性等。基于经验和半经验特性的结论严重缺乏对理论和基础规律的导向。虽然已经开展大量气泡湍流流动实验和数值模拟研究，但因受到实验装置、制备、运行、操作条件和实验测试手段差异，导致结果存在较大不确定性，无法得到统一的理论指导规律和实验经验关联。
迄今为止，对于直管式气流分布器气泡哭泣研究甚少，并且尚未有量化其流动特性和对其气液湍流扰动的研究，缺乏：(1)大尺寸哭泣气泡与射流孔的发生和发生频率、分布器表面的脱离、运动过程中聚并与破碎造成的气泡平均分布和比表面积等关系的实验基础数据；(2)在不同射流方向、液相工质和体积流率操作条件下，哭泣气泡的运动特性和对复杂气液多相湍流体系影响的数据。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，基于直管气流分布器的射流孔向下、不同进口体积流率以及液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，揭示哭泣气泡的危害程度、对非平衡入***流的调控策略以及哭泣气泡与气液湍流流动的内在关联特性，优化非均匀气液多相湍流传热和传质性能。
本发明提供的射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、在直管气流分布器末端底部开设一个哭泣射流孔；直管气流分布器下半部分还设有等间距排布的多个均匀气泡射流孔组，每个均匀气泡射流孔组由沿轴向等距排布的多个均匀气泡射流孔组成。将直管气流分布器固定在气液反应器底部位置，并使哭泣射流孔方向垂直向下。选用压缩空气作为气泡气体来源，液相工质为水。
步骤二、直管气流分布器进口体积流率从2.5L/min逐步变化到4.5L/min；直管气流分布器每个进口体积流率下，压缩空气流经质量流量控制仪和直管气流分布器，在直管气流分布器的各射流孔形成入***流，并进入气液反应器，采用高速摄像机捕获气泡在直管气流分布器表面产生、覆盖、附着、脱离和向上运动轨迹的图像，基于捕获的图像采用图像分析软件计算气泡直径分布、气泡产生频率和气泡比表面积，基于两个压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，并根据高度位置差的动态压力梯度来计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率；其中，气液鼓泡流化床包括直管气流分布器和气液反应器。
气泡孔隙率εg计算公式如下：
Figure BDA0003843670020000031
式中，ρl为液体密度，ρg为气体密度，g为重力加速度，ph为气液反应器高度为h处的液体压力。
气液反应器高度为h处的气泡比表面积A的计算公式如下：
Figure BDA0003843670020000032
式中，Vl是气液反应器内液体体积，Vb为全部气泡的体积之和，D为气泡平均直径，a3是系数，a3＝2。
步骤三、将液相工质更换为聚醚与水混合物，重复步骤二。
优选地，气泡平均直径D计算如下：
Figure BDA0003843670020000033
式中，N为气泡数量，di为第i个气泡的直径，a1和a2均为系数，a1＝3，a2＝2。
优选地，执行步骤三后，还包括如下步骤：液相工质为聚醚与水混合物且直管气流分布器的哭泣射流孔向下工况下，气泡比表面积A与直管气流分布器进口体积流率qv的关系拟合式如下：
Figure BDA0003843670020000034
式中，a4、a5、a6和a7均为系数。
优选地，所述直管气流分布器的直径为2.54mm。
优选地，所述均匀气泡射流孔的直径为1.2mm，均匀气泡射流孔组数量为5个，每个均匀气泡射流孔组由沿轴向等距排布的20个均匀气泡射流孔组成，相邻均匀气泡射流孔的间距为15mm。
优选地，所述哭泣射流孔的直径为1.9mm。
优选地，所述的高速摄像机置于距离直管气流分布器高度为40.0cm的位置处。
优选地，所述直管气流分布器的进口体积流率变化步长为0.25L/min。
本发明具有的有益效果：
本发明采用高速摄像机测量气泡流动过程的图像，采用非接触式流场测量的微分压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，并根据高度位置差的动态压力梯度来计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率，从而得到水或聚醚与水混合物液相工质条件下，揭示了受哭泣气泡影响的复杂尺寸分布的气泡湍流流动特性，认知了哭泣气泡对小尺寸均匀气泡湍流流动的危害，并掌握其内在特性，且揭示了不同进口体积流率下均匀流动离散小尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡诱发大尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡破碎诱发产生微小尺寸气泡的流动特性和哭泣气泡影响气液湍流流动特性，建立了气泡比表面积与直管气流分布器进口体积流率的关系拟合式，提出不平衡入***流条件的优化策略，增加气泡比表面积以提高总传质能力，为反应器性能优化提供基础。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明测量过程示意图；
图3是本发明中直管气流分布器的结构示意图；
图4是本发明在进口体积流率为2.5L/min、液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡的其中一个流动形态示意图。
图5是本发明在进口体积流率为2.5L/min、液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡直径概率分布示意图。
图6是本发明在进口体积流率为2.5L/min、液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡平均直径示意图。
图7是本发明在进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡平均直径示意图。
图8是本发明在进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡发生频率示意图。
图9是本发明在进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡孔隙率分布示意图。
图10是本发明在进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，距离直管气流分布器高度为40.0cm位置处的气泡比表面积示意图。
图11是本发明实施例拟合出的气泡比表面积与直管气流分布器进口体积流率关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，具体如下：
步骤一、如图2和3所示，在直管气流分布器末端底部开设一个哭泣射流孔；直管气流分布器下半部分还设有等间距排布的多个均匀气泡射流孔组，每个均匀气泡射流孔组由沿轴向等距排布的多个均匀气泡射流孔组成。将直管气流分布器固定在气液反应器底部位置，并使哭泣射流孔方向垂直向下。选用压缩空气作为气泡气体来源，液相工质为水。
步骤二、直管气流分布器进口体积流率从2.5L/min变化到4.5L/min，变化步长为0.25L/min。直管气流分布器每个进口体积流率下，压缩空气流经质量流量控制仪和直管气流分布器，在直管气流分布器的射流孔形成入***流，并进入气液反应器，采用置于距离直管气流分布器高度为40.0cm位置处的高速摄像机捕获气泡在直管气流分布器表面产生、覆盖、附着、脱离和向上运动轨迹的图像，基于捕获的图像采用图像分析软件(如ProAnalyst)计算气液鼓泡流化床内的气泡直径分布、气泡产生频率和气泡比表面积，基于两个压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，并根据高度位置差的动态压力梯度来计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率，从而分析出不同进口体积流率下均匀流动离散小尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡诱发大尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡破碎诱发产生微小尺寸气泡的流动特性和哭泣气泡影响气液湍流流动特性；其中，气液鼓泡流化床包括直管气流分布器和气液反应器。尺度聚并和微小尺寸气泡在向上运动过程中，破坏了离散均匀气泡状态，呈现强烈的气泡之间碰撞和破碎及非均匀气泡湍流状态；各种尺寸气泡经历上下返混、左右摇荡的非均匀流动结构；当各种尺寸气泡达气液表面时，绝大数气泡将脱离液相，而进入气液反应器上部空气，完成气液分离过程。
气泡孔隙率εg计算公式如下：
Figure BDA0003843670020000051
式中，ρl为液体密度，ρg为气体密度，g为重力加速度，ph为气液反应器高度为h处的液体压力。
气液反应器高度为h处的气泡比表面积A的计算公式如下：
Figure BDA0003843670020000061
式中，Vl是气液反应器内液体体积，Vb为全部气泡的体积之和，D为气泡平均直径，a3是系数，a3＝2。
步骤三、将液相工质更换为聚醚与水混合物，重复步骤二。
下面将一些参数列于表1中：
表1
Figure BDA0003843670020000062
作为优选，高速摄像机采用非接触式高速摄像机，非接触式高速摄像机连接数据采集和分析***，如图2所示。非接触式高速摄像机可以采用美国TSI公司的高速摄像机，数据采集和分析***可以采用美国TSI公司的PIV***。
作为优选，采用微分压力传感仪(包括不同高度位置的两个压力传感器)测量气液反应器两处不同高度处的液体压力，从而建立气泡孔隙率分布模型。
作为优选，直管气流分布器采用不锈钢材料；实验在环境温度为10-20℃、1个标准大气压力的条件下进行。
作为优选，气泡平均直径D计算如下：
Figure BDA0003843670020000063
式中，N为气泡数量，di为第i个气泡的直径，a1和a2均为系数，a1＝3，a2＝2。
作为优选，执行步骤三后，还包括如下步骤：液相工质为聚醚与水混合物且直管气流分布器的射流孔向下工况下，气泡比表面积A与直管气流分布器进口体积流率qv的关系拟合式如下：
Figure BDA0003843670020000071
式中，a4、a5、a6和a7均为系数，在上述各实施例参数下，拟合曲线如图11所示，拟合得到a4＝0.8815,a5＝-0.6481，a6＝0.1755，a7＝-0.0134，拟合方差为0.9967。
直管气流分布器的各射流孔向下、进口体积流率为2.5L/min、液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，哭泣气泡和其他均匀射流气泡的其中一个流动形态图像如图4中(a)和(b)所示。可见，这种工况条件下，能明显观测到在哭泣射流孔表面和附近区域出现大尺寸气泡，其他射流孔明显呈现小尺寸的离散均匀气泡流动状态，没有观测到气泡的聚并、碰撞和破碎现象。哭泣气泡的出现，诱发了大尺度气泡，并出现了气泡聚并和破碎，气泡之间存在着明显的相互作用。另外，聚醚与水混合物的液相工质为离散均匀小气泡流动的较佳工况条件。
直管气流分布器的射流孔向下、进口体积流率为2.5L/min、液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡直径概率分布如图5所示，气泡平均直径如图6所示。可见，气泡直径全部分布在2-5mm之间；在哭泣气泡影响下，液相工质为聚醚与水混合物相比水，发生了较大数量的小尺寸均匀气泡；液相工质为聚醚与水混合物时，气泡平均直径为3.949mm，液相工质为水时，气泡平均直径为4.155mm。
直管气流分布器的射流孔向下，进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡平均直径如图7所示。可见，伴随着进口体积流率的增加，气泡平均直径也在加大，且相同进口体积流率情况下，液相工质为聚醚与水混合物相比水，气泡平均直径更小。进口体积流率为2.5L/min时，气泡平均直径在3.5-4.5mm范围内，产生的小尺寸均匀气泡直径更小。
直管气流分布器的射流孔向下，进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡发生频率如图8所示，可见，气泡发生频率随进口体积流率增大而增大，且液相工质为聚醚与水混合物的气泡发生频率明显高于液相工质为水的气泡发生频率，容易产生较多的小尺寸均匀气泡，均匀流动的性能较好。
直管气流分布器的射流孔向下，进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为水或聚醚与水混合物的工况条件下，气泡孔隙率分布如图9所示，可见，最大气泡孔隙率发生在液相工质为聚醚与水混合物以及最大的进口体积流率条件下，相同进口体积流率情况下，液相工质为聚醚与水混合物相比水，气泡孔隙率更大，气泡孔隙率大意味着气液***中小尺寸均匀气泡数量增加，均匀流动的性能较好。
直管气流分布器的射流孔向下，进口体积流率为2.5L/min、3.5L/min或4.5L/min，液相工质为聚醚与水混合物的工况条件下，距离直管气流分布器高度为40.0cm位置处的气泡比表面积如图10所示，可见，气泡比表面积随进口体积流率增大而增大，较大的气泡比表面积，意味着较强的传质和传热能力以及较高的气液相间的能量交换性能。
本发明虽然无法避免直管气流分布器的不平衡射流以及哭泣气泡对均匀流动***的破坏和降低性能，但通过在直管气流分布器末端开设一个哭泣射流孔，采用高速摄像机测量气泡流动过程的图像，采用非接触式流场测量的微分压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，并根据高度位置差的动态压力梯度来计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率，揭示了向下入***流时添加聚醚阻泡剂可以消弱哭泣气泡的不利影响，且揭示了不同进口体积流率下均匀流动离散小尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡诱发大尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡破碎诱发产生微小尺寸气泡的流动特性和哭泣气泡影响气液湍流流动特性，建立了气泡比表面积与直管气流分布器进口体积流率的关系拟合式，能提出不平衡入***流条件的优化策略，增加气泡比表面积以提高总传质能力，最大限度提高反应器效率和能力。

Claims (8)

1.射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在直管气流分布器末端底部开设一个哭泣射流孔；直管气流分布器下半部分还设有等间距排布的多个均匀气泡射流孔组，每个均匀气泡射流孔组由沿轴向等距排布的多个均匀气泡射流孔组成；将直管气流分布器固定在气液反应器底部位置，并使哭泣射流孔方向垂直向下；选用压缩空气作为气泡气体来源，液相工质为水；
步骤二、直管气流分布器进口体积流率从2.5L/min逐步变化到4.5L/min；直管气流分布器每个进口体积流率下，压缩空气流经质量流量控制仪和直管气流分布器，在直管气流分布器的各射流孔形成入***流，并进入气液反应器，采用高速摄像机捕获气泡在直管气流分布器表面产生、覆盖、附着、脱离和向上运动轨迹的图像，基于捕获的图像采用图像分析软件计算气泡直径分布、气泡产生频率和气泡比表面积，基于两个压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，并根据高度位置差的动态压力梯度来计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率；其中，气液鼓泡流化床包括直管气流分布器和气液反应器；
气泡孔隙率εg计算公式如下：
Figure FDA0003843670010000011
式中，ρl为液体密度，ρg为气体密度，g为重力加速度，ph为气液反应器高度为h处的液体压力；
气液反应器高度为h处的气泡比表面积A的计算公式如下：
Figure FDA0003843670010000012
式中，Vl是气液反应器内液体体积，Vb为全部气泡的体积之和，D为气泡平均直径，a3是系数，a3＝2；
步骤三、将液相工质更换为聚醚与水混合物，重复步骤二。
2.根据权利要求1所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：气泡平均直径D计算如下：
Figure FDA0003843670010000021
式中，N为气泡数量，di为第i个气泡的直径，a1和a2均为系数，a1＝3，a2＝2。
3.根据权利要求2所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：执行步骤三后，还包括如下步骤：液相工质为聚醚与水混合物且直管气流分布器的哭泣射流孔向下工况下，气泡比表面积A与直管气流分布器进口体积流率qv的关系拟合式如下：
Figure FDA0003843670010000022
式中，a4、a5、a6和a7均为系数。
4.根据权利要求1、2或3所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：所述直管气流分布器的直径为2.54mm。
5.根据权利要求1、2或3所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：所述均匀气泡射流孔的直径为1.2mm，均匀气泡射流孔组数量为5个，每个均匀气泡射流孔组由沿轴向等距排布的20个均匀气泡射流孔组成，相邻均匀气泡射流孔的间距为15mm。
6.根据权利要求1、2或3所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：所述哭泣射流孔的直径为1.9mm。
7.根据权利要求1、2或3所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：所述的高速摄像机置于距离直管气流分布器高度为40.0cm的位置处。
8.根据权利要求1、2或3所述射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，其特征在于：所述直管气流分布器的进口体积流率变化步长为0.25L/min。
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