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1、D014 外环流反应器中气液两相流流动特性的研究外环流反应器中气液两相流流动特性的研究 黄宇星 余希立 林荣英 林诚 （福州大学化学化工学院 , 福建 福州 350002） 摘摘 要要 分别用多通道压差技术和光纤探头技术对外环流反应器中的压力和气泡特性进行了研 究。实验测定了操作条件对反应器内不同位置的方差、主频、气含率和气泡平均直径等特性的影 响，并进行了流型分析。实验结果表明，用压力特征参数结合气泡平均直径参数能很好地将反应 器内流型划分为鼓泡流，过渡流和混状流。 关键词关键词 外环流反应器 方差 气泡 流型 EXPERIMENTAL STUDY ON FLOW CHARACTERISTI
2、CS OF GAS- LIQUID TWO- PHASE FLOW IN AN EXTERNAL- LOOP AIRLIFT REACTOR Huang Yuxing , Yu Xili , Lin Rongying and Lin Cheng ( Institute of Chemical and Chemical Engineering , Fuzhou University , Fuzhou 350002 , Fujian , China ) Abstract The pressure fluctuations and bubble characteristics have been s
3、tudied in an external- loop airlift reactor by using multi- channel pressure difference technique and optical fibre probe technique separately. The relations between operating conditions and the characteristics of variance, main frequency, gas holdup and bubble Sauter average diameter in different p
4、osition of the reactor are measured. The experimental results show that flow patterns in this reactor can be divided into bubble flow, transitional flow and churn flow by using characteristic parameter of pressure combined with bubble Sauter average diameter. Keywords external- loop airlift reactor,
5、 variance, bubble, flow pattern 引 言 外环流反应器是一种新型的鼓泡反应器，由于其结构简单、传质传热和混合性能好、能 耗低、剪切力小等优点，在石油化工、湿法冶金、生物化工、氯碱工业、环境工程和煤的液 化等工业领域得到了广泛的应用。 近年来， 已有不少研究者对外环流反应器内流体特性的进行了大量的研究， 主要工作集 中于气含率，液体循环速度，床内液体混合状态等流体力学特性的研究，而对外环流反应器 的流型的研究报道极少。众所周知，流型的划分是多相反应器设计和放大的基础，是操作范 围确定的依据，还是体系流体动力学研究的基础，但由于床内流体的非均匀性、非规则性、 随机性和
6、混沌现象， 还是存在许多值得研究的地方。 根据压力信号序列进行流型辨识近年来 在气固流化床、 气液鼓泡床及气液固三相床中得到了大量的应用， 但目前对气液两相流的流 型研究主要以普通的鼓泡床反应器为研究对象。 为此，本文主要通过对压力信号序列的分析，研究外环流反应器的流型演变，同时测定 床内的气泡行为以研究不同流域内的气泡大小与气含率变化等流体力学特性。 1 实验部分 实验所用的是外环流反应器。提升管为内径 120mm、高 3 m 的有机玻璃塔体。管式气 液分布器是由六根内径 12mm 的有机玻璃管围绕一根同样内径的管均布在管板上， 每个玻璃 管上方距离顶部 10mm 的径向位置上等间隔开了三个
7、直径为 1mm 的小孔， 用作气液的出口。 在不同的床高处设置采样口，用于测定不同轴向位置的压力信号。下测压点距离出气孔 220mm，上测压点距离出气孔 1240mm。 实验在常温常压下进行。 压缩机产生的空气与液体水都从塔下方进入， 经管式气液分布 器均匀分布后并行上流，空气在塔顶直接放空，水经塔顶的循环口后一部分排出塔体，一部 分经外环流管向下循环并与进入塔体的气液体重新混合。 压力采样使用的是多通道压差检测和数据处理系统， 采样速度为每秒 100 次， 信号采集 时间为 60 秒；气泡特性测定采用清华大学开发的光纤探头多相流测量系统，采样速度为每 分钟 500000 个数据。通过维持液体
8、流速稳定而改变气速，用微机采集不同的液体流速下下 测压点处管中心气速改变后产生的压力信号（两个测压点相距 200mm）和气泡信号。然后改 变测压点的轴径向位置，得到管壁处和上测压点处不同的压力信号和气泡信号。再用 Origin 软件对压力信号进行方差分析和幅度谱分析，得到方差、主频等数据；并根据文献1提供 的方法对气泡信号进行分析，得到气含率和气泡直径等数据。 2 结果和讨论 2.1 流型变化流型变化 本研究主要采用方差分析法和功率谱对时间序列的压力信号进行处理， 以获取环流反应 器的流型变化。 图 1 为不同进水速度下方差随表观气速的变化规律。 可以看出， 压差波动信号的方差随 着气速的增加
9、而上升。 进水速度增大后方差值增大。 这是因为气速的增大加剧了床内气泡的 流动，而气泡行为是造成床层压力波动的直接原因。然而方差并不是随气速呈线性增大，其 原因是由于流型区间的压差振动能不同所致，因此可以据此进行流型的划分。 0.0050.0100.0150.020 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 混状流区 过渡流区 鼓泡流区 进水速度 (m/s) 0.00154 0.00583 0.01009 0.01449 0.01851 方差 (mmH2O) 气速 (m/s) Fig.1 Effect of superficial gas velocity on varianc
10、e at different inlet water velocity 联系人：林诚. 第一作者：黄宇星, 男, 23 岁, 硕士研究生 Corresponding author: LIN Cheng 根据压差波动信号的方差随气速变化的转折点， 可以看出， 在外环流反应器中存在着三 个流型区域，结合肉眼观察现象可知，这三个区域分别对应为鼓泡流区、过渡流区及混状流 区。由图可以看出，不同进水、进气流速下的压差信号方差给出的流型信息是不一样的，高 进水速下可以方便地进行流型辨识， 而低进水速时无法用方差信号进行流型辨识。 结合压差 序列信号的功率谱分析，如图 2 (a)(c) 所示，不同的流型对应
11、着不同的功率谱峰型。在鼓 泡流区，幅度谱能量较低且出现了一个主峰；在过渡流区，出现了两个明显的主峰；而进入 混状流区，幅度谱图又出现单高峰的。本文的幅度谱图特征的划分与白博峰等人2的结论 相一致。 由图 2 还可以看出， 流型转变点并不像多数研究者的所观察到的那样， 随着进水速度的 增加，进入转变点的气体流速亦相应提高3- 5，而是呈现气体流速先提高然后又减小的趋势。 其原因很可能是随液体流速增加， 导致液体在下降管中的循环流速非线性改变， 这有待于今 后进一步探讨。此外，本文的研究结果表明，在较小的气速下，流型就很快进入混状流区， 其原因可能与本研究采用的气液分布器的特殊构造有关。 气液从各
12、分布管的侧向喷出后相互 撞击混合，极易产生较严重扰动。 对功率谱进行主频分析的结果见图 3，由图可见，在较高液体流速下，功率谱的曲线变 化点与实验观察到的流型转变点较为一致， 而在低液体流速下， 较难用主频图来确定流型的 变化，这与压力信号的方差分析结果一样。这表明在低液速下，方差和主频这两种方法不适 宜于作为流型区分的工具。 01 02 0 0 5 1 0 1 5 2 0 (a) 进 水 速 度 0.0185 m /s 气 速 0.0051 m /s F requency (H z) Amplitude 01 020 0 5 1 0 1 5 2 0 (b ) 进 水 速 度 0.01 85
13、m /s 气 速 0.0073 m /s F re que ncy (H z) Amplitude 01020 0 5 10 15 20 (c) 进 水 速 度 0.0185 m /s 气 速 0.0124 m /s F requency (H z) Amplitude Fig.2 Profile of spectral magnitude at different inlet water velocity 0.0000.0050.0100.0150.020 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 (a) 混 状 流 过 渡 流 鼓 泡 流 进 水 速 度 0.1851 m/s
14、 主 频(Hz) 气 速(m/s) 0.0000.0050.0100.0150.020 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 (b) 进 水 速 度 0.0154 m/s 主频(Hz) 气 速(m/s) Fig.3 Effect of superficial gas velocity on main frequency at different inlet water velocity 2.2 气泡的平均直径与流型变化气泡的平均直径与流型变化 不同进水速度下气泡平均直径随表观气速的变化规律如图 4 所示， 气泡的平均直径随气 速增大先迅速增大再保持不变而后略有减小，这事实上正
15、对应于前面分析的三个流型区域。 当气速较小时， 处于鼓泡流区， 气泡能够维持其颗粒状的特性， 此时气泡的破裂、 聚并较少， 气泡以较为均匀的分布通过反应器截面，形状完整，直径较小。随着气速的增大，气泡开始 发生破裂、聚并。小气泡破裂后聚并成较大的气泡，因而使得气泡平均直径随气速增大而增 加了。到达过渡区后，气泡的变形作用增强，与破裂和聚并作用的影响互相抵消，所以气泡 平均直径的变化不大。随着气速的再进一步增大，进入混状流区，湍动程度剧烈，对气泡的 破碎作用达到最大， 气泡的破裂和变形能力越来越明显， 超过气泡的聚并作用占据主导地位， 又使气泡平均直径有所减小，但变化不大。这说明气速对操作气速的
16、影响与操作区域有关。 由图可见，对于低进水速度的情况，用气泡平均直径气速图就比较好辨识流型区域。 从图中还可以看出， 鼓泡流和过渡流的分界点是气泡平均直径上升曲线和气泡平均直径恒定 的曲线的交点， 过渡流和混状流的分界点是气泡平均直径恒定曲线和气泡平均直径减小的曲 线的交点。比较压力序列信号的方差分析、功率谱分析及实验现象可知，由气泡平均直径改 变确定的流型转变点对应的气速大致相同。 2.3 气含率变化气含率变化 不同进水速度下测得的表观气速对气含率的影响如图 5 所示， 气含率随气速的增大而增 大，进水速度改变对它们的影响不大。可以看出，利用气含率难以划分流型。 0.0050.0100.0150.020 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 混状流 过渡流 气泡流 进水速度 (m/s) 0.00154 0.00583 0.0101 0.0145 0.0185 气泡直径 (mm) 气速 (m/s) 0
