苏州鼓泡式反应器结构
研究者基于实验测试,研究鼓泡反应器内充氧曝气过程牛顿流体(清水)和非牛顿流体(CMC水溶液)中气液两相间的传质过程,主要考察气相表观气速和液相流变特性对气泡尺寸分布、全局气含率和体积氧传质系数的影响规律。通过传质理论分析,借助Sherwood数(Sh)、Reynolds数(Re)和Schmidt数(Sc)等无量纲数,建立适用于幂律型非牛顿流体体系的氧传递系数和气液传质的计算关系式。为具有非牛顿流体流动的废水处理装置中气液两相传质分析提供理论参考和计算依据。为克服鼓泡塔中的液相返混现象,当高径比较大时,常采用多段鼓泡塔,以提高反应效果。苏州鼓泡式反应器结构
在固定床鼓泡反应器中,气液并流向上通过催化剂床层,由于气液流速、床层特征、分布器结构等的不同,流体在床层中的流动会表现出不同的流型。不同的流型对反应器内气液固之间的传质具有显着影响,进而影响到反应的转化率。在固定床鼓泡反应器中,随着表观气速的变化,床层内的气泡运动状态发生改变,可以将反应器内的流型分为安静鼓泡流、脉冲流和喷射流。在较小的表观气速下,气体以均匀的小气泡形式分散在液相中,反应器内呈现出安静鼓泡流状态;随着气速不断增大,床层内部产生少量大气泡,气液固之间的相互作用逐渐增大,导致床层局部发生湍动现象,此时反应器内处于脉冲流状态;随着气速的继续増大,床层内气液固三相之间产生强烈的相互作用,气泡之间不断聚合和破裂,导致床层中呈现出剧烈的液体湍动和局部液相循环现象,此时反应器内部处于喷射流状态。Achuvelly等人在研究鼓泡床反应器内的流型分布时,采用了矩鞍环、拉西环和球形颗粒填料考察了床层特征对流型的影响,并给出了不同气液流速下的流型分布图,他们发现在整个实验范围内,流型转变主要受到气体流速的影响。苏州鼓泡式反应器结构鼓泡塔多为空塔,一般在塔内设有挡板,以减少液体返混。
在反应器的设计与工业过程的开发中,要尽可能的降低能耗,减少床层压降。在固定床鼓泡反应器中,床层压降主要来源于两个方面:一方面来自于流体在通过反应器床层时,气液固三相之间的相互作用;另一方面,反应器内部液相自身重量会在反应器进出口之间产生一个压降。流体流经固定床床层时会受到填料颗粒以及反应器壁面的摩擦阻力,产生一定的压力损失,压力损失主要来源于两个方面:一方面是由于颗粒对流体的曳力;另一方面来自流体在流动过程中孔道截面积突然扩大和缩小以及流体对颗粒的冲击和流体的分裂。当流体在床层内的流速较小时,床层压力损失主要来源于流体与填料颗粒之间的摩擦;而流体在床层内的流速较大时,床层的压力损失则主要来源于孔道截面积的突然扩大和缩小。因此固定床鼓泡反应器内部的床层压降与流体的物理性质、填料堆积特征以及操作条件有关。
实际上,气液两相体系传质效果与气泡大小和气泡尺寸分布关联紧密,而由曝气器生成的气泡在上升过程中气泡大小和尺寸分布的变化规律又受到液相流体物性参数的影响。然而,以往研究由于实验条件、测试方法等的局限,对鼓泡反应器中气泡的大小和分布的信息掌握不足,没有综合考虑非牛顿流体的流变特性、气泡的尺寸分布和气液两相传质之间的关联。因此,需要考虑非牛顿流体流变特性对气液两相流动和传质的影响,进一步结合气泡尺寸沿鼓泡反应器高度方向分布信息来综合考察非牛顿流体体系中气液两相的传质规律。鼓泡塔是在塔体下部装上分布器,将气体分散在液体中进行传质、传热的一种塔式反应器。
对鼓泡反应器中牛顿型流体(清水)和幂律型非牛顿型流体(CMC水溶液)的流动和传质特性进行了系统研究,结论如下。(1)幂律型非牛顿型流体的流变特性对气泡尺寸分布、全局气含率和体积氧传质系数均有较大影响。与牛顿型流体(清水)相比,气泡在CMC水溶液中具有更大的平均直径和更广的尺寸分布范围,且随非牛顿型流体流动指数的减小有增大的趋势。牛顿型流体和非牛顿型流体中全局气含率均随表观气速的增加而增大,但非牛顿型流体增大的幅度相对较小。非牛顿型流体中体积氧传质系数要明显小于牛顿型流体中的体积氧传质系数,非牛顿型流体在相同表观气速下的体积氧传质系数随流动指数的减小而减小。(2)利用Higbie渗透理论,附以非牛顿型流体流变特性参数,可获得幂律型非牛顿流体体系中修正的体积氧传质系数计算式,计算值与实验结果吻合较好。(3)简单套用文献中的传质参数经验关联式预测非牛顿流体的传质参数会产生较大偏差。本研究在考虑非牛顿流体流变特性对传质参数的影响基础上,得出了幂律型非牛顿流体体系的无量纲传质参数关联式,在表观气速为0.4~1.67cm·s-1和气泡直径为1.5~5.5mm的条件下,具有较高的预测精度。为了保证气体沿截面的均匀分布,鼓泡塔的直径不宜过大,一般在2~3m以内。苏州鼓泡式反应器结构
气含率是鼓泡反应器中气相所占的体积分率,也是决定气泡比表面的重要参数。苏州鼓泡式反应器结构
搅拌鼓泡反应器适用反应系统:气体与黏性液体或悬浮溶液反应系统气体的空塔线速度不同会在鼓泡塔内造成不同的流动状态。安静鼓泡区:表观气速低于0.05m/s时,处于此区。所谓安静区操作,即鼓泡塔中的气体流量较小,气泡大小比较均匀,规则地浮升,液体搅动并不明显。湍流鼓泡区:表观气速大于0.08m/s时,处于此区。所谓湍动区操作,在气体流量较大时,气泡运动呈不规则现象,液体作高度地湍动,塔内物料强烈混合,气泡作用的机理比较复杂,这种情况称为湍动区。栓塞气泡流动区:小径气泡塔,高表观气速下出现此状态。实验观察到,栓塞气泡流发生在小直径直至0.15m直径的鼓泡反在生产装置中,简单的鼓泡塔往往选择在安静区状态下操作,而气体升湍动区操作。鼓泡塔流动状态分布区区域图OG较低时:气体分布器OG中等时:气体分布器加液体湍动OG较高时:液体湍动使气流破碎成气泡。苏州鼓泡式反应器结构
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