內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器流動行為與傳質(zhì)特性研究.pdf

1、氣升式反應(yīng)器因其具有獨(dú)特的優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于反應(yīng)器內(nèi)部多相流的流動和傳質(zhì)機(jī)理極其復(fù)雜，加上反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、操作條件以及流體物性都會對流體流動特性和相間傳質(zhì)行為產(chǎn)生影響，在氣升式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和操作等方面有很多問題尚未很好地解決。隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，業(yè)界對氣升式反應(yīng)器性能的要求也不斷提高，因而如何設(shè)計(jì)更為高效的氣升式反應(yīng)器以及實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)器的優(yōu)化操作成為迫切需要解決的問題。
　　本文以內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器為研究

2、對象，考察了噴嘴結(jié)構(gòu)和篩板結(jié)構(gòu)對流體流動行為和相間傳質(zhì)特性的影響；基于軸向擴(kuò)散模型建立了反應(yīng)器的宏觀傳質(zhì)模型，對動態(tài)氣液傳質(zhì)過程進(jìn)行了深入分析；初步研究了反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動與水力學(xué)行為之間的相互關(guān)系，提出了基于壓力波動信號的流型辨識方法。
　　本文具體的研究內(nèi)容以及得到的主要結(jié)論包括：
　　1.選取二噴嘴、旋切四噴嘴和O型分布器為研究對象，考察了噴嘴結(jié)構(gòu)對流體流動和相間傳質(zhì)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證噴口出射氣速相同的情

3、況下，噴口直徑較小的噴嘴產(chǎn)生的平均氣泡直徑較小，循環(huán)液速較大，有利于提高整體氣含率和傳質(zhì)效率；通氣量一定時，噴口數(shù)目越多會導(dǎo)致各噴口的氣體出射速度越小，氣體沖擊破碎的效果越差，使得氣液傳質(zhì)性能下降。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文最終確定旋切四噴嘴為最優(yōu)的噴嘴結(jié)構(gòu)。
　　2.研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的流型變化對水力學(xué)行為影響很大，在均相流內(nèi)，整體氣含率和下降段液速都隨表觀氣速的增大迅速增加，而在非均相流內(nèi)，下降段液速基本趨于穩(wěn)定，同時整體氣含率的增加速

4、度也變慢。體積氧傳質(zhì)系數(shù)隨著表觀氣速的增加呈線性增加的趨勢，提高表觀氣速對氣泡比表面積（氣液相界面積）的大小有顯著影響，而對液膜側(cè)氧傳質(zhì)系數(shù)的影響則有限。本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了預(yù)測不同流型、不同噴嘴結(jié)構(gòu)下整體氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，同時根據(jù)物料守恒和壓力平衡原則建立了預(yù)測下降段液速的流動模型，并對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　3.考察了篩板結(jié)構(gòu)對流體流動和傳質(zhì)行為的影響，發(fā)現(xiàn)篩板能夠有效地破碎氣泡，起到均布流場、強(qiáng)化傳

5、質(zhì)的作用。在上升段內(nèi)加裝篩板后，反應(yīng)器的性能有顯著提高，整體氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)均有大幅提升。篩孔直徑和開孔率是篩板的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，較小的篩孔直徑和開孔率對于氣含率的提升更有利，而較大的篩孔直徑和開孔率強(qiáng)化傳質(zhì)的效果更明顯。此外，篩板個數(shù)和安裝位置也是影響反應(yīng)器性能的重要因素，適量的增加篩板的數(shù)目對氣液傳質(zhì)更有利，篩板安裝在上升段下部效果更好。本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了預(yù)測不同篩板結(jié)構(gòu)參數(shù)下整體氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，結(jié)合物料

6、守恒和壓力平衡原則建立了預(yù)測有篩板情況下下降段液速的流動模型，并驗(yàn)證了模型的有效性。
　　4.將帶源相的軸向擴(kuò)散模型應(yīng)用于反應(yīng)器內(nèi)的氣相和液相，建立了內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器的宏觀傳質(zhì)模型。本文借助有限差分法將傳質(zhì)模型中的偏微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，提出了模型的數(shù)值迭代求解方法；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型仿真結(jié)果，對反應(yīng)器內(nèi)的動態(tài)氣液傳質(zhì)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，證實(shí)了所研究的反應(yīng)器具有良好的混合和傳質(zhì)特性；基于仿真結(jié)果得出的

7、結(jié)論，對氣液傳質(zhì)模型進(jìn)行了簡化，并通過坐標(biāo)變換法求得了簡化模型的解析解，計(jì)算結(jié)果表明該簡化模型能較好地預(yù)測溶氧濃度的整體變化趨勢。
　　5.研究了氣升式反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動現(xiàn)象，探討了反應(yīng)器內(nèi)壓力波動的來源，并根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)不同波源所產(chǎn)生的壓力波動特性的差異將其劃分為全局壓力波動和局部壓力波動兩類；利用相關(guān)分析將壓力波動信號分解為相關(guān)、聯(lián)合非相關(guān)、自非相關(guān)三部分，各部分分別表征不同性質(zhì)的波源產(chǎn)生的壓力波動，并進(jìn)一步考察了各部分所占的能

8、量分率隨表觀氣速的演化與反應(yīng)器內(nèi)流型轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系，證實(shí)了壓力波動信號能夠表征流型的轉(zhuǎn)變；通過功率譜分析和相關(guān)分析研究了不同流型內(nèi)壓力波動信號的頻率特征與水力學(xué)行為之間的相互關(guān)系。
　　6.對基于壓力波動信號的流型辨識方法進(jìn)行了深入研究，提出了流型辨識的新方法。本文分別利用小波變換、Hilbert-Huang變換、高階統(tǒng)計(jì)量、Wigner-Ville分布以及混沌、分形理論對壓力波動信號進(jìn)行分析，提取出了壓力信號中所蘊(yùn)含的與流型相關(guān)