鼓泡塔气相特性及返混特性测定实验

一、实验目的
1. 了解鼓泡塔的结构和操作方法；
2. 测定鼓泡塔的气含率εG ，气体比表面a ，返混程度参数Pe 等。

二、实验原理
1. 气含率
气含率是表征气液鼓泡反应器流体力学特性的基本参数之一。

它直接影响反应器内气液接触面积，从而影响传质速率与宏观反应速率，是气液鼓泡反应器的重要设计参数。

测定气含率的方法很多，静压法是较精确的一种，基本原理由反应器内柏努力方程而来，可测定各段平均气含率，也可测定某一水平位置的局部气含率。

根据柏努利方程有：
1c G L g dp g dH ερ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (1)
采用U 型压差计测量时，两测压点平均气含率为：
G h
H
ε∆=
(2) 当气液鼓泡反应器空塔气速改变时，气含率G ε会作相应变化，一般有如下关系：
εG ∝n G
u (3) n 取决于流动状况。

对安静鼓泡流，n 值在0.7～1.2之间；在湍动鼓泡流或过渡流区，G u 影响较小，n 为0.4～0.7范围内。

假设 εG =k
n G
u (4)
则 G G u lg n k lg lg +=ε (5)
根据不同气速下的气含率数据，以1G g ε对1G n gu 作图标绘，或用最小二乘法进行数据拟合，即可得到关系式中参数k 和n 值。

2.气泡比表面
气泡比表面是单位液体积的相界面积，也称气液接触面积、比相界面积，也是气液鼓泡反应器很重要的参数之一。

许多学者进行了这方面的研究工作，如光透法、光反射法、照相技术、化学吸收法和探针技术等，每一种测试技术都存在着一定的局限性。

气泡比表面积a 可由平均气泡直径us d 与相应的气含率G ε计算：
us
G
d 6a ε=
(6)
Gestrich 许多学者的计算a 的关系进行整理比较，得到了计算a 值的公式：
0.30.003
026.0(
)G H a K D
ε=⋅⋅ (7) 其中K-液体模数 :L L
L
K g ρσμ=; 方程式适用范围： u G ≤0.60m/s 0
2.224H D
≤
≤ 5115.71010K ⨯≤<
因此在固定气速u G 下，测定反应器的气含率εG 数据，就可以间接得到气液化表面a 。

Gestrich 经大量据数比较后确认式(7)的计算偏差在15%±之内。

3、鼓泡塔液相返混特性
描述返混的数学模型很多，较简单实用的是一维扩散模型。

一维扩散模型的数学表达 式：
θ
∂∂=∂∂-∂∂⋅c z c z c Pe 221 (8) Dax
UH
Pe =
（9） 式中P e 为彼克列数，描述返混程度的模型参数。

对式（8）求解：
定解条件：实验采用脉冲法加入示踪剂，在上游处测定示踪剂浓度，闭式容器，列出如下定解条件：
取 ),(θz f c = 初始条件：0)0,(=z c 边界条件：()θθ1),0(c c = 有限量=∞),(θc 用Laplace 变换解得：
()⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡--⎪⎭⎫ ⎝⎛=2314ex p 2)(θθπθθPe Pe c （10） 估计模型参数Pe ：估计的方法有多种，如矩量法、传递函数法、拟合法等。

本实验采用矩量法，需用到如下两个定义：
⑴ 浓度c （t ）的一阶原点矩：
()()t dt
t c tdt t c M ˆ001=⎰⎰=∞∞
（11）
⑵ 浓度c （t ）的二阶中心矩：
()()()()()
22002002ˆˆt t
dt
t c dt t t c dt
t c dt t t t c M θ=-⎰⎰=
⎰⎰-=∞
∞∞
∞ （12）
式中：t ˆ—数学期望； 2t θ—方差或称散度。

由式（11）和式（12），可导出如下方程：
()
Pe t Pe Pe t
θθθθ-⎪⎭⎫ ⎝⎛-==1122ˆ2
22
2 （13）
实验测得c （t ）与t 的关系数据，由式（11）求得t ˆ，由式（12）求得2t θ，通过（13）求得Pe 的值。

三、流程及设备的主要技术数据
流程图：（见图一）
1— 水箱 ，2—水泵，3—空气压缩机，4—三通阀 ，5—空气流量计，6—空气进量控制阀， 7—阀7 ，8—示踪剂储罐 ，9—测孔，10—压力表，11—空气进料口 ，12—示踪剂进口，13—鼓泡塔，14—电导电极 ，15—电导率仪，16—计算机采集系统 ，17—溢流管 ，18——压力传感器 ，19—阀19 ，20—压差表 ，21—流体分布器，22—放液阀 ，23
—回流管阀，24—放液阀，25—液体进料口，26—液体流量控制阀，27—液体流量计
如图一所示，示踪剂缓冲罐内配有饱和的氯化钾溶液
鼓泡塔：塔高2m, 反应器直径为200mm, 气体分布器采用十字型，并有若干小孔使气体达到一定的小孔气速。

反应器用有机玻璃管加工，便于观察。

反应器壁面沿轴向开有一排小孔与压力传感器相连，用于测量压差。

四、实验内容和操作步骤
1、气含率及气泡比表面的测定
（1）系统接上电源，打开总开关，开启水泵后将清水加入反应器床层内，至一定高度（约1.5m）。

（2）检查一下压差表读数是否为0，如果不是则应该打开与压差传感器相连的铜管上的阀门1将水铜管内充满了水（排除掉由于零点漂移所造成的误差）。

（3）固定液体流量在一个适当值，本实验可取水流量值为200L/h,并通过空气流量计阀门调节进气量。

(4) 观察床层内气液两相流流动状态。

(5) 等待压力表读数稳定后记录各进气量下的压差值。

(6) 改变气体流量，重复上述操作（可以做6-8个条件）。

(7) 注意事项：在进行鼓泡塔气相特性测定时应保证阀2全开（回液阀门），阀3全闭（放水阀门），阀4（回液阀门）全闭，阀5全闭（密闭容器与压缩机相连的阀门）。

(8) 记录下压差值后安实验所给公式计算处气含率和气泡比表面。

2、返混特性参数Pe数的测定
（1）启动数据采集系统，使其处于工作状态。

（2）将阀门5微开，使得的示踪剂储罐上方的压力达到0.1兆帕左右,在开启电磁阀通入示踪剂之后即可将阀5关闭，泄压。

（3）取实验数据：待系统稳定之后（即空气流量、水流量稳定在预定值），命令微机采集数据，启动电磁阀注入示踪剂。

采数结束后，采集软件会自动进行数据进处理，并输出结果—TD（数学期望），DD（方差）和PE（彼克列数）。

⑷维持空气流量不变，改变水的流量，取实验数据。

（本实验中可取空气流量为1m3/h,水的流量分别取为60，100，150，200
（5）每一水流量条件下，重复两次取数据，使PE值的相对误差≤±5%。

然后改变水流量进行下一个实验，完毕为止。

3、实验完毕后，关闭空压机、真空泵、进水阀门、电导率仪、微机系统等仪器设备的电源，并将所有仪器复原。

五、注意事项
1）试验开启应该先通水，到一定位置后约1m左右，开启压缩机鼓气。

实验开始时应保证与静态压差传感器与直径为0.8mm的铜管相连，避免了弹性效应，并且以要在铜管内充满水，这样铜管内无液体流动，从根本上消除了“呼吸”作用，使铜管中无气泡进入，保证压差测量准确性。

2）应该在固定操作条件一段时间后，反应器稳定后在读取压差表的读数（这里的稳定指的是瞬态稳定，即压差表的读数在某一个范围内呈稳定波动即可）3）在测定鼓泡塔内气相特性时将示踪剂储罐下方的进气阀7关闭；等到开始测定返混特性时应将此阀7微开使示踪剂储罐内压力升至0.1兆帕左右即可，示踪剂打入后要关闭阀7。

4）测定返混特性时将鼓泡塔装置下方的回流阀23，24均关闭，放液阀22打开：保证加有示踪剂的液体不回流水储槽中，并应保证不断有新鲜的物料加入水槽中补给物料。

六、实验数据记录与出理。