基于傳質(zhì)強化的微氣泡塔盤流動特性實驗的研究

郭舒 董紀鵬 鮑捷 李建隆

摘 ?????要： 篩板塔塔內(nèi)件的作用主要是增大氣液比表面積，改變氣液接觸形式，以提高塔內(nèi)傳質(zhì)、傳熱。研究者提出了新型微氣泡塔盤，通過在篩板上方的泡沫層內(nèi)增加破泡組件，利用破泡組件使大氣泡破裂為小氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液傳質(zhì)、傳熱效果。利用自行設(shè)計的篩板塔和微氣泡塔盤實驗平臺及PIV測速系統(tǒng)，測定了塔板上氣泡的直徑分布和上升速度。實驗結(jié)果顯示：與普通篩板相比較，微氣泡塔盤上氣泡的上升速度較小，氣泡停留時間更長，且徑向分布更平坦;氣泡直徑也僅為篩板的1/16，氣液接觸的比表面積增大，更利于傳質(zhì)過程的進行。

關(guān) ?鍵 ?詞：強化傳質(zhì);微氣泡塔盤;破泡裝置;氣泡直徑

中圖分類號：TQ053.5 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號：?1671-0460（2019）11-2513-04

Experimental Study on Flow Characteristics of Microbubble

Tray Based on Mass Transfer Enhancement

GUO Shu， DONG Ji-peng， BAO Jie， LI Jian-long^*

（College of Chemical Engineering， Qingdao University of Science &Technology， Shandong Qingdao 266042， China）

Abstract： The function of inner parts of sieve tray tower is to increase the specific surface area of gas-liquid and change the contact form of gas-liquid in order to improve mass transfer and heat transfer in the tower. The researchers put forward a new type of micro bubble tray. By adding bubble breaking assembly?in the foam layer above the sieve plate， big?bubbles can be broken into small bubbles to increase the gas-liquid contact area， and improve the gas-liquid mass transfer and heat transfer effect. The diameter distribution and rising velocity of bubbles on the sieve tray and micro-bubble tray were measured using a self-designed experimental platform and PIV speed measurement system. The experimental results showed that compared with the ordinary sieve plate， the rising speed of bubbles on the microbubble tray was smaller， the residence time of bubbles was longer， and the radial distribution was more flat; the diameter of bubbles was only 1/16 of the sieve plate， and the specific surface area of gas-liquid contact increased， which was more conducive to the mass transfer process.

Key words： Enhanced mass transfer; Micro-bubble tray; Bubble breaking device; Bubble diameter

石油化工領(lǐng)域，精餾塔^[1-6]作為一種主要的分離設(shè)備在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起到舉足輕重的作用。篩板塔^[7-9]作為一種常用的板式精餾塔，因其結(jié)構(gòu)簡單、塔板效率高、生產(chǎn)能力大等諸多優(yōu)點，得以廣泛應(yīng)用。塔板是氣液兩相接觸并進行傳熱、傳質(zhì)的場所，其傳熱、傳質(zhì)過程的提高和優(yōu)化歷來都是國內(nèi)外研究和關(guān)注的熱點之一。強化氣液傳質(zhì)、傳熱過程，可顯著設(shè)備提高生產(chǎn)效率，降低操作運行費用。為此，研究人員先后開發(fā)了一系列具有低壓降、高通量、抗堵塞性能的新型塔板，如95型大通量塔板^[10]、新型垂直篩板^[11]、新型立體噴射式復(fù)合塔板^[12]等。

從各種篩板技術(shù)的不斷更新中可以看出，篩板塔的改進和優(yōu)化主要集中在液體出入口空間的改進、鼓泡區(qū)面積的強化和降液管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化三個方面^[13-15]。開發(fā)的方向也多是針對解決某些特定問題，如低壓降、高通量、抗堵塞等。且新型塔板的開發(fā)更多地是強調(diào)內(nèi)件的一體化和傳質(zhì)元件的復(fù)合化，使得塔板結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，造價高昂。本文提出了一種簡單易行的結(jié)構(gòu)改進，通過在篩板上架設(shè)“破泡裝置”，以強化氣液傳質(zhì)效果，并通過實驗研究對新結(jié)構(gòu)進行考察，為其在工業(yè)上的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗流程（如圖1）

加有羅丹明B（一種示蹤粒子）的水從儲罐6由水泵7經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計8注入實驗塔內(nèi)，空氣由風機11經(jīng)過孔板流量10計從塔底通入塔內(nèi)，經(jīng)過氣體分布器4到達實驗篩板3，氣液兩相錯流接觸。在恒定的液體流量條件下，通過PIV系統(tǒng)的CCD相機拍攝不同氣速下均勻鼓泡狀態(tài)的照片，再利用計算機軟件統(tǒng)計氣泡尺寸、氣泡上升速度及其分布情況。

1.2 ?實驗設(shè)備

實驗所用篩板塔的材質(zhì)為有機玻璃，外徑為125 mm，壁厚2.5 mm，內(nèi)部安裝實驗篩板、篩網(wǎng)和氣體分布器，氣體分布器安裝在篩板偏下180 mm處，篩板的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，實驗所用設(shè)備具體參數(shù)如表1所示。

1.3 ?實驗方法

粒子成像測速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）是從上世紀80年代初由流動顯示技術(shù)發(fā)展起來的一種瞬時平面流場的測量方法^[16-18]。PIV先后經(jīng)歷了從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變^[19]。流動空間結(jié)構(gòu)的需要、湍流研究的需求和穩(wěn)定流場的測試需要為PIV技術(shù)的發(fā)展提供了強大的推動力，圖像處理技術(shù)的發(fā)展和陣列式計算機的產(chǎn)生又為其提供了技術(shù)基礎(chǔ)，成為近年來流體力學領(lǐng)域的重要成就之一。

PIV測試的原理是：向待測流體中撒入跟隨性較好的示蹤粒子，利用激光在較短時間間隔內(nèi)連續(xù)照亮待測區(qū)域，通過相機拍攝記錄包含示蹤粒子的圖像，然后將圖像分成上百乃至上千個查詢區(qū)域，通過傅里葉變換等方法算出示蹤粒子在每個查詢區(qū)域的速度，從而得到整個區(qū)域的速度場，并進一步得到其他的信息，是一種瞬時的多點測試技術(shù)。本次實驗拍攝圖如圖3所示，通過將拍攝的圖片存入計算機進行一系列分析和處理，可較為準確的得到氣泡直徑與上升速度等參數(shù)。

本次實驗在液體流量2 L/min，氣體流量16～20 m³/h的條件下進行。

2 ?實驗結(jié)果與討論

2.1 ?氣泡上升速度

氣泡的上升速度對塔板上的氣液傳質(zhì)有很大影響。一般來說，氣體上升速度慢，氣體在清液層內(nèi)停留時間長，有利于傳質(zhì)的進行。反之，則停留時間較短，不利于傳質(zhì)。本實驗主要探究了表觀氣速對氣泡上升速度的影響，以及不同軸向位置的氣泡速度分布情況。

圖4為普通篩板塔內(nèi)，堰流強度為0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液層高度為0.012 m時，不同表觀氣速下，z=0.02 m橫截面上的氣泡上升速度分布圖。圖中可以看出：表觀氣速對氣泡上升速度影響顯著，通氣量較小時，氣泡上升速度較小，徑向分布較平緩，塔中心處形成的氣泡最大，故其上升速度也最快;通氣量較大時，最大氣泡上升速度增大，但是塔壁附近氣泡上升速度變化不及塔中心明顯，這是由于塔壁附近氣含率低，隨表觀氣速的增加變化不大，氣泡聚并作用較弱的緣故。

圖5是微氣泡塔盤內(nèi)，堰流強度為0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液層高度為0.012 m時，不同表觀氣速下，z=0.02 m橫截面上的氣泡上升速度分布圖，與圖3對比可以看出，表觀氣速對氣泡上升速度影響較小，雖然隨著通氣量的增加，氣泡的上升速率也會增大，但是增幅卻不如篩板中那么迅速，且從數(shù)值上可以看出，氣泡上升速度低于篩板中的氣泡上升速度，最大氣泡上升速度為15 cm·s^-1，而篩板的為20 cm·s^-1，氣泡在液相中的停留時間越長，對傳質(zhì)的進行更加有利。塔板中心的氣泡上升速度仍然是最大的。不同于篩板的氣泡上升速度徑向分布，微氣泡塔盤中的分布更均勻，說明氣泡大小和聚并程度較為一致。受到破泡裝置的影響，過孔的氣泡直徑分布在1～3 mm范圍內(nèi)，這種小氣泡射流速度小，運動穩(wěn)定，不容易破碎。

2.2 ?氣泡直徑分布

本文統(tǒng)計的氣泡平均直徑d_o是指通過氣泡重心的弦長的平均值。默認它為氣泡的等效直徑，它與氣含率、界面濃度、表面張力等有著直接聯(lián)系，氣泡的大小決定著氣液兩相混合的比表面積，比表面積的大小決定了氣液傳質(zhì)效果。當氣泡平均直徑較大時，表明氣泡的體積較大，上升速度快，不利于氣液兩相傳質(zhì)過程的進行。本實驗主要對比考察了普通篩板塔盤和微氣泡塔盤上氣泡平均直徑的變化。

如圖6所示，實驗選擇表觀氣速為0.233 m·s^-1，堰流強度為0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液層高度為0.012 m的操作條件下的氣泡圖像進行分析，分別選取了z₁=0.02 m、z₂=0.05 m、z₃=0.08 m三個高度，獲取了塔板上氣泡的徑向分布情況。篩板塔板上，大氣泡集中在塔板中心，這與前文所述塔板中心處氣泡上升速度最大相呼應(yīng)，靠近塔壁附近氣泡較小，這是因為塔壁氣含率低。隨著軸向高度的增加，中心氣泡也在增大，實際上，當氣泡增大到一定程度時，其增長程度就會放緩，這是外力平衡的結(jié)果，最終氣泡上升或至與自由界面接觸發(fā)生破碎，或受擠壓擾動發(fā)生形變破碎。本文測量的剛過孔的氣體產(chǎn)生的氣泡大約為30 mm，這與對單孔鼓泡氣泡團的研究基本相符^[20]，在z₃=0.08 m處，整個截面的氣泡平均直徑約為42.5 mm，同時氣泡分布范圍變大，如此大的氣泡是很不利于傳質(zhì)的;靠近邊壁的弓形區(qū)形成回流，聚并和破碎作用此消彼長，相互制約，所以隨著軸向高度的增加，塔壁附近氣泡平均直徑的增加并不明顯。

如圖7所示，微氣泡塔盤的氣泡分布規(guī)律和篩板的大致相同，最大的氣泡也集中在塔板中心處，隨著軸向高度的增加，中心氣泡聚并作用增強，氣泡不斷長大，塔壁附近的氣含率較低，所以氣泡較小。對比篩板和微氣泡塔盤上的氣泡分布，可以十分明顯的看出破泡裝置的破泡效果：氣泡平均直徑的分布由篩板塔的22～56 mm降低至微氣泡塔盤的1～3.5 mm，篩板中過孔形成的氣泡直徑較大，在水中運動時較難保持形狀穩(wěn)定;微氣泡塔盤中破泡裝置的孔徑小，形體曳力大，初期形成的氣泡較小，直徑較小的氣泡在水中容易保持其穩(wěn)定形態(tài)，其發(fā)生變形的時間比大氣泡晚^[21]，由于孔的尺寸遠小于氣泡最小直徑，增大了氣泡上升過程的阻力，突然的收縮使大氣泡破碎成無數(shù)小氣泡。小體積、小氣泡上升速度都對傳質(zhì)發(fā)揮積極影響。

3 ?結(jié) 論

本文采用PIV測試技術(shù)對普通篩板和微氣泡塔盤上氣泡的上升速度與氣泡直徑進行了實驗測量，可得出以下結(jié)論：

（1）板上氣泡的上升速度與表觀氣速成正比，氣泡上升速度在塔板中心出現(xiàn)峰值;相比較來說，普通篩板上最大的氣泡上升速度達到了20 cm/s，微氣泡塔盤僅為15.2 cm/s，且微氣泡塔盤氣泡上升速度隨著表觀氣速改變的變化亦較小，徑向分布更平坦，氣泡停留時間更長，有利于傳質(zhì)的進行。

（2）篩板與微氣泡塔盤中板上氣泡平均直徑的分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律，都隨著軸向高度的增大，氣泡直徑變大，同一軸向高度上，氣泡的直徑自塔板中心處向塔壁方向遞減;但微氣泡塔盤中的氣泡直徑僅為篩板的1/16。氣泡直徑小，比表面積增大，傳質(zhì)比表面積增大，有利于傳質(zhì)的進行。

（3）通過上述對比分析，微氣泡塔盤比普通篩板具有更加優(yōu)異的氣液傳質(zhì)和分離效果。

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