Advanced analysis of liquid dispersion and gas-liquid mass transfer in a bubble column with dense vertical internals

氣液兩相傳質(zhì)和液體彌散特性的研究

來(lái)源：Chemical Engineering Research and Design 134 (2018) 575–588

 

論文總結(jié)

研究了在批處理氣泡柱反應(yīng)器（BCR）中，密集垂直管束對(duì)液體分散和氣體-液體傳質(zhì)的影響。以下從摘要、研究目的、研究思路、測(cè)量數(shù)據(jù)及意義、結(jié)論等方面進(jìn)行總結(jié)，并詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的意義。

一、論文摘要

研究探討了在直徑100 mm、清液高度1100 mm的氣泡柱中，密集垂直管束（包括三角形和方形排列、管徑8 mm和13 mm、平底和U型管底部設(shè)計(jì)）對(duì)液體分散和氣體-液體傳質(zhì)的影響。通過(guò)導(dǎo)電示蹤劑實(shí)驗(yàn)（使用線網(wǎng)格傳感器WMS）和快速響應(yīng)氧探針（如Unisense OX 100）測(cè)量液體分散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)。結(jié)果表明，管間距和排列是影響液體分散的關(guān)鍵參數(shù)，U型管底部設(shè)計(jì)能增強(qiáng)液體循環(huán)和分散；內(nèi)部構(gòu)件因湍流阻尼作用降低傳質(zhì)系數(shù)（kLa），但優(yōu)化設(shè)計(jì)（如小管徑三角形排列）能平衡性能。2D分散模型能可靠預(yù)測(cè)液體分散行為。

二、研究目的

 

定量評(píng)估管束設(shè)計(jì)對(duì)傳質(zhì)的影響：研究不同管排列（三角形/方形）、管徑（8 mm/13 mm）和底部設(shè)計(jì)（平底/U型管）如何影響氣體-液體傳質(zhì)系數(shù)（kLa）和液體分散。

驗(yàn)證2D分散模型：評(píng)估二維分散模型（2D-DM）在預(yù)測(cè)含內(nèi)部構(gòu)件氣泡柱中液體分散的可靠性，與傳統(tǒng)軸向分散模型（ADM）對(duì)比。

優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)：為高放熱反應(yīng)（如Fischer-Tropsch合成）提供設(shè)計(jì)依據(jù)，確保等溫條件和高效傳質(zhì)。

應(yīng)用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)：利用線網(wǎng)格傳感器（WMS）和快速響應(yīng)氧探針（如Unisense）提升數(shù)據(jù)精度和實(shí)時(shí)性。

 

填補(bǔ)文獻(xiàn)空白：現(xiàn)有研究多關(guān)注空柱，本文系統(tǒng)分析內(nèi)部構(gòu)件的影響，為復(fù)雜系統(tǒng)提供新見解。

 

背景基于氣泡柱反應(yīng)器在化工過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)（如高效傳質(zhì)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件），但內(nèi)部構(gòu)件（如熱交換管束）會(huì)改變流體動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)特性，需深入量化。

三、研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模型分析結(jié)合的方法：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)置：如Fig. 1所示，使用直徑100 mm、高2000 mm的氣泡柱，清液高度固定為1100 mm。氣體分布器為多孔板（55孔，直徑0.5 mm）。管束覆蓋約25%橫截面積，避免壁區(qū)干擾。

 

管束配置：測(cè)試四種管束：方形8 mm（s8）、方形13 mm（s13）、三角形8 mm（t8）、三角形13 mm（t13），以及U型管底部設(shè)計(jì)（su8）和空柱對(duì)照。

測(cè)量技術(shù)：

 

液體分散：通過(guò)WMS（最多90個(gè)測(cè)點(diǎn)）記錄Na?SO?示蹤劑濃度時(shí)空分布，提取軸向（Dz,l）和徑向（Dr,l）分散系數(shù)（如Fig. 5所示）。

氣體-液體傳質(zhì)：使用Unisense OX 100氧探針實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧濃度，計(jì)算kLa和kL（如Fig. 4所示）。

 

氣泡特性：結(jié)合超快X射線斷層掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算Sauter平均直徑（ds）和界面面積（a）。

 

數(shù)據(jù)分析：應(yīng)用2D分散模型（Eq. 1-3）和軸向分散模型（ADM）擬合數(shù)據(jù)，對(duì)比模型性能（如Fig. 8-10）。

 

 

 

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及研究意義

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其意義及來(lái)源如下（數(shù)據(jù)均標(biāo)注自原文圖/表）：

 

液體分散系數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 5-7）：

 

 

 

數(shù)據(jù)：軸向分散系數(shù)（Dz,l）隨氣速增加先指數(shù)上升后下降（如空柱在ug=0.08 m/s時(shí)Dz,l≈0.02 m2/s）；徑向分散系數(shù)（Dr,l）比軸向低約200倍（如t8配置在ug=0.04 m/s時(shí)Dr,l≈10?? m2/s）。

 

研究意義：內(nèi)部構(gòu)件抑制徑向混合，導(dǎo)致子通道內(nèi)液體滯留；三角形排列和小管徑（如t8）增強(qiáng)軸向分散 due to 高流阻和壁區(qū)氣泡上升。數(shù)據(jù)驗(yàn)證2D模型必要性，避免ADM的過(guò)度簡(jiǎn)化。

 

氣體-液體傳質(zhì)系數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 8-10）：

 

數(shù)據(jù)：空柱kLa最高（如ug=0.05 m/s時(shí)kLa≈0.006 s?1），內(nèi)部構(gòu)件降低kLa（如s8配置kLa≈0.004 s?1）；kL值從空柱的0.6×10?3 m/s降至s8的0.25×10?3 m/s（ug=0.05 m/s）。

 

研究意義：內(nèi)部構(gòu)件阻尼湍流，降低kL；但小管徑配置（如t8）因高界面面積部分補(bǔ)償kLa損失。ADM比CSTR模型更準(zhǔn)確（Fig. 10），凸顯背混影響。

 

氣泡特性與界面面積（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 11）：

 

數(shù)據(jù)：Sauter直徑（ds）隨氣速增加而減小（如空柱ds從4 mm降至2 mm）；界面面積（a）在小管徑配置最高（如s8的a≈200 m2/m3 at ug=0.05 m/s）。

 

研究意義：管束促進(jìn)氣泡破碎，增加界面面積，但湍流減弱抵消傳質(zhì)收益；U型管設(shè)計(jì)增強(qiáng)氣泡循環(huán)，優(yōu)化傳質(zhì)。

 

模型對(duì)比（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 12-13和Table 2-3）：

 

 

 

 

數(shù)據(jù)：現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式（如Ohki-Inoue對(duì)Dz,l）對(duì)空柱預(yù)測(cè)良好，但低估內(nèi)部構(gòu)件影響；Letzel關(guān)聯(lián)式（kLa=0.5εg）與數(shù)據(jù)吻合較好。

 

研究意義：強(qiáng)調(diào)需開發(fā)含幾何參數(shù)的新關(guān)聯(lián)式；2D模型捕獲徑向梯度，為尺度放大提供基礎(chǔ)。

 

五、研究結(jié)論

 

管束設(shè)計(jì)關(guān)鍵影響：管間距和排列（如三角形優(yōu)于方形）主導(dǎo)液體分散和傳質(zhì)；小管徑（8 mm）和U型管底部設(shè)計(jì)增強(qiáng)混合和傳質(zhì) due to 高流阻和壁區(qū)循環(huán)。

混合機(jī)制變化：內(nèi)部構(gòu)件抑制徑向分散（Dr,l?Dz,l），導(dǎo)致子通道內(nèi)局部梯度，需2D模型準(zhǔn)確描述。

傳質(zhì)性能權(quán)衡：內(nèi)部構(gòu)件降低kLa（湍流阻尼），但小管徑配置通過(guò)高界面面積部分補(bǔ)償；U型管設(shè)計(jì)（su8）實(shí)現(xiàn)最佳平衡。

模型適用性：ADM優(yōu)于CSTR模型，但現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式需擴(kuò)展以涵蓋內(nèi)部構(gòu)件幾何參數(shù)。

 

工業(yè)應(yīng)用價(jià)值：為高放熱反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供優(yōu)化策略，如選擇三角形排列和小管徑以維持傳質(zhì)效率。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)有什么研究意義

丹麥Unisense氧微傳感器（型號(hào)OX 100）在本研究中用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧濃度，以計(jì)算氣體-液體傳質(zhì)系數(shù)（kLa和kL）（實(shí)驗(yàn)部分和Fig. 4）。其研究意義如下：

 

高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

 

技術(shù)描述：Unisense電極基于Clark原理，提供高靈敏度（檢測(cè)限低）、快速響應(yīng)（時(shí)間常數(shù)1.5 s?1）的溶解氧檢測(cè)，適用于動(dòng)態(tài)過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用：在氮?dú)獯祾吆笄袚Q至空氣，記錄氧濃度隨時(shí)間變化曲線（如Fig. 8），通過(guò)去卷積處理消除傳感器延遲，提取瞬時(shí)kLa值。

 

研究意義：直接驗(yàn)證傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，避免離線采樣誤差；高時(shí)間分辨率捕捉瞬態(tài)行為，提升數(shù)據(jù)可靠性。

 

傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算：

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：結(jié)合ADM模型（Eq. 6）擬合氧濃度曲線，計(jì)算kLa和kL（如Fig. 9）；結(jié)果顯示內(nèi)部構(gòu)件降低kL（湍流阻尼），但界面面積補(bǔ)償部分損失。

 

研究意義：提供定量證據(jù)表明內(nèi)部構(gòu)件對(duì)傳質(zhì)的雙重影響（阻尼湍流但增強(qiáng)界面）；為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

模型驗(yàn)證與比較：

 

對(duì)比CSTR與ADM：Unisense數(shù)據(jù)驗(yàn)證ADM更準(zhǔn)確（如Fig. 10），因CSTR模型高估初始濃度梯度。

 

研究意義：突出背混效應(yīng)在傳質(zhì)分析中的重要性；Unisense的精確測(cè)量支持復(fù)雜模型的應(yīng)用，推動(dòng)理論發(fā)展。

 

長(zhǎng)期穩(wěn)定性與重復(fù)性：

 

多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：每個(gè)配置重復(fù)三次測(cè)量，Unisense數(shù)據(jù)一致性高（誤差小）。

 

研究意義：確保結(jié)果可重復(fù)性，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)庫(kù)；傳感器穩(wěn)定性支持長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

 

方法學(xué)優(yōu)勢(shì)：

 

原位與非侵入性：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不擾動(dòng)流場(chǎng)，保持反應(yīng)真實(shí)性；校準(zhǔn)后直接輸出濃度，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理。

 

研究意義：為氣泡柱研究設(shè)立新標(biāo)準(zhǔn)，尤其適合含內(nèi)部構(gòu)件的復(fù)雜系統(tǒng)；推動(dòng)高性能傳感技術(shù)在化工過(guò)程中的應(yīng)用。

 

總之，Unisense電極不僅是測(cè)量工具，更是驗(yàn)證傳質(zhì)機(jī)制和模型準(zhǔn)確性的核心：其數(shù)據(jù)直接揭示了內(nèi)部構(gòu)件對(duì)湍流和傳質(zhì)的微觀影響，為優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了實(shí)證基礎(chǔ)。這強(qiáng)調(diào)了在多相流研究中集成高精度氣體傳感的重要性，尤其在評(píng)估工業(yè)可行性時(shí)不可或缺。