压力波动在鼓泡塔传质中的应用

压力波动分析在鼓泡塔传质研究中的应用引言气液鼓泡反应器在环境工程的污染物处理中具有广泛的应用背景，在湿法烟气脱硫，气浮，吹脱，生物流化床等过程中都涉及到气液两相体系间的传质，流体力学等问题，其中如何提高气液之间的传质性能更为环境领域所关注，提高相间的传质效率，对于保证处理效果，提高设备的利用效率有重要意义。影响气液传质系数的主要因素有气液界面积和流场结构特性。根据Whitman提出的双膜理论，传质阻力集中在界面附近的气膜和液膜中，而膜的厚度受到流场结构特性的影响。对于气液鼓泡塔，其流态可以分为平稳鼓泡流，剧烈湍流和它们之间的过渡流三种流态［1］。流态的识别有多种方法，直接的测量方法如使用CT，PIV［2］，LDA[3]，CARPT［4］等仪器对流场进行测量，能够直观准确的对流场结构特征进行分析，但是这种方法一般需要使用复杂的仪器。另一种间接的方法是对一些能够间接反应流场特征的信号进行测量，通过对信号的解析，得到相关的流场信息，如电导率，空隙率［5］，壁面压力［6］等。其中压力信号作为一类更容易准确测量的信号，应用最为广泛。本文通过对鼓泡床压力波动时间序列的频谱分析，研究不同流态下压力波动的频率特征。通过对不同流态下气液间氧体积传质系数的测量，结合气含率的变化，对鼓泡塔气液传质行为进行了进一步的分析。对使用压力测量关联鼓泡塔传质性能进行了初步的探讨。实验试验装置如图（1）所示：图１实验装置图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatus图１实验装置图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatus鼓泡反应器主体使用内径0.14米，高1.5米的有机玻璃圆柱形反应器。空气和水分别作为气，液相，空气通过底部的气体分布板进入反应器．气体分布板采用不锈钢穿孔板．压力测量使用精度0.2级，测量范围分别为0-6Kpa，0-10Kpa，0-50Kpa的ASP压力变送器。压力变送器如图轴向放置于反应器一侧，由上至下进行编号为1－6。数据采集系统使用NI公司的NI-6024E数据采集卡，将压力变送器传送的模拟信号转换为数字信号，并存入计算机，进行进一步的处理。由于试验测量的波动频率都是在20HZ以内，因此选择采集频率为100Hz，确保能够得到完整的波形特征。为了确保能够得到系统的完整信息，需要保证取样的长度，每个样本采集数据点数为10000个。数据进入计算机后，使用Labview数据采集系统对采样数据进行存储和进一步分析处理。体积传质系数测量采用动态充氧法，使用覆膜式极谱电极测量鼓泡充氧过程中的溶解氧浓度变化过程。通过公式（1）计算体积传质系数KLa。（1）试验首先采取氮气吹脱法脱除水中的溶解氧至溶解氧浓度达到0.5mg/l以下，然后以一定的速度通入空气，测量其溶剂氧的饱和过程。由于电极的响应的延滞时间比较长，采用连续测量的方法会带来较大的误差，本实验采用间歇进气的方法，在给定气速下定时通入空气，待电极达到平衡测量溶解氧值，该测量方法可以消除响应时间对测量的影响。气含率的计算使应用公式（2）进行计算，其中的h0是Ug=0时的液柱高度，h根据压力变送器测量数值与液面高度之间的转换关系计算求出，为避免气体分布板对气含率测量的影响，取1号和4号传感器的数值进行计算，并以该数值代表反应器内的整体气含率。（2）信号的频谱分析使用Labview中的频域分析工具，将压力波动信号由时域信号转换为频域信号。实验结果与讨论2.1气含率分析NaCl溶液和水两种体系的气含率比较如图（2）所示，在初始的均匀鼓泡区，两种体系的气含率差异不是很明显，这是由于在这个阶段气泡的大小主要是受到布气板结构的影响，气泡间的相互作用不明显，气泡聚并和破碎发生几率很小，受到液体流动的干扰也不大。而在过渡区二者的气含率有较大的差异，NaCl溶液体系的气含率明显大于清水体系。这是由于NaCl电解质对气泡聚并的阻碍作用比较明显[7]，导致气泡的平均尺寸下降，气含率明显大于清水体系。而到了湍流区，NaCl溶液中的气含率出现了下降趋势，两体系的气含率差异减小，说明在该条件下，盐效应不再起主要作用，液体的湍动成为影响气泡大小的主要因素。液体的湍动促进了盐溶液内气泡的聚并行为，导致气泡平均尺寸的上升和气含率的下降，而对清水体系内气泡的聚并与破碎的动态平衡影响不是很明显。图2气含率随表观气速的变化Fig2variationofgasholdupwithsuperficialgasvelocity图2气含率随表观气速的变化Fig2variationofgasholdupwithsuperficialgasvelocity2.2频谱分析图3不同表观气速下压力波动的频率分析比较（a）水（b）0.15mol/l的NaCl溶液Fig3FrequencycomparisonunderdifferentUg(a)water(b).15mol/lNaClaqueous图3不同表观气速下压力波动的频率分析比较（a）水（b）0.15mol/l的NaCl溶液Fig3FrequencycomparisonunderdifferentUg(a)water(b).15mol/lNaClaqueous由图（3）的频率分析结果可以看到，在低表观气速条件下，压力的波动频率集中在低频区，这时的主要流动结构是由气体扰动引起的局部环流。随着气速的增加，逐渐出现高频和低频两部分，其中的高频信号是由液体的高频湍动引起的，气速越高，高频信号所占的能量密度越大。液体的高频湍动对于气液界面的物质更新起到明显的作用，改变了液膜厚度和传质阻力，因此在一定条件下是影响传质的主要因素。2.3体积传质系数试验分别对清水和0.15mol/l盐溶液中不同表观气速下氧气在气液间的体积传质系数进行了测量，结果如图（4）所示。在低表观气速条件下，NaCl溶液和清水体系中的氧的体积传质系数随着气速的增加而增加，它们之间差异也增加，这主要是气含率的变化引起的。随着表观气速的增加，体积传质系数的变化趋势与含率的变化趋势产生了较为明显的不同。对清水而言，尽管气含率的上升趋势减缓，但体积传质系数仍然维持增长的速度，这是由于这个阶段液体的湍动对传质的促进作用越来越明显。观察NaCl溶液中体积传质系数的变化可以得出同样的结论。图4KLa随表观气速的变化Fig4.Thevariationof图4KLa随表观气速的变化Fig4.ThevariationofKLawithsuperficialgasvelocity结论实验将鼓泡床壁面压力波动的频谱特征作为流型表征的工具，研究了不同流态下的气液传质特性，可以得出以下结论：1鼓泡床中的体积传质系数主要受到气液界面积和界面更新速度的影响，可以分别由气含率和壁面压力波动的频谱分析间接进行表征，而二者通过压力测量即可完成。2在低表观气速下，气含率是影响体积传质系数的主要因素。3在高气速下，尽管气含率的增加不明显，但液体湍动程度的增加增强了传质行为。气含率分析结合频率的方法易于实现，可以作为实时在线测量的有效手段，为反应器的性能监控提供了新的工具。参考文献1J.Zahradnik,etalDualityofthegas-liquidflowregimesinbubblecolumnreactors,ChemicalEngineeringScience52,pp,3811-3826.19972JinwenChen,etal.Comparativehydrodynamicsstudyinabubblecolumnsuingcomputerautomatedradioactivearticletracking(CARPT)/mputedtomography(CT)andparticleimgevelocimetry(PIV),ChemicalEngineeringScience54(1999)2199-22073R.F.Mudde,etalDynamicbehavioroftheflowfieldofabubblecolumnatlowtomoderategasfractions,ChemicalEngineeringScience54pp4921-4927,19994Cassanello,M.etal.InferringliquidchaoticdynamicsinbubblecolumnsusingCARPT.ChemicalEngineeringScience56.21-22(2001):6125-345RicardoFemat,etal.Chaoticflowstructureinaverticalbubblecolumn.PhysicsLettersA248(1998)67-796Letzel,H.M.etal.Characterizationofregimesandregimetransitionsinbubblecolumnsbychaosanal