喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响

喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响。以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律。实验发现,随着气速或液体射流Reynolds数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20%时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20%时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴。研究结果可为工业射流鼓泡反应器喷嘴结构的优化提供理论指导。     

射流鼓泡反应器的研究进展

射流鼓泡反应器通过耦合射流与鼓泡两种作用机制实现了气液理想混合,避免了甲醇羰基化制醋酸工艺中搅拌内构件的腐蚀。射流、鼓泡的耦合加剧了混合过程的复杂性,阻碍了对该反应器气液流动、传质、混合的认识。文章分别综述了均相体系射流混合、鼓泡反应器流动规律及喷射式气液反应器流动规律。结果表明,混合时间、气泡直径及气含率分别用于表征射流和鼓泡混合效果,气液顺流喷射反应器性能需同时考虑液相体积传质系数。因此,射流鼓泡反应器的研究需以上述所有参数作为特征参数,通过实验和模拟剖析反应器内部气液传质及射流与鼓泡的协同机制。     

射流鼓泡反应器中液相体积传质系数的测定

羰基合成反应一般采用射流鼓泡反应器,该类反应器气液混合的方式采用射流而非机械搅拌,其主要优点是结构简单、制作简便、维护费用低。研究该类型反应器的传质系数对于其设计、优化及放大操作均具有重要意义。本研究采用缩颈式圆形喷嘴,以动态溶氧法对射流鼓泡反应器内的液相体积传质系数进行测定,考察了表观气速、射流雷诺数对液相体积传质系数的影响。研究发现,随气速增大液相体积传质系数的变化规律为先增大而后保持不变。维持表观气速不变,随雷诺数增加液相体积传质系数增大,但当表观气速小于0.0012 m/s时,雷诺数对传质改善较小。建立了液相体积传质系数的经验关联式,当气体输入功率占总功率56%时,液相体积传质系数最大,气体鼓泡和液体射流的协同作用最强。     

鼓泡床反应器内流动与传质行为的研究进展

总结了有关浆态鼓泡床反应器内流动、混合用气液传质特性的研究成果,详细地介绍了鼓泡床反应器内气含率、液速、液体轴向扩散系数、传质系数的测量方法,阐述了鼓泡床反应器性能的主要影响因素,如系统压力、温度、气体表观气速、液体性质及固含率等对流动、液相混合和传质特性的影响,并对鼓泡床反应器的应用前景进行了详述.     

气液固微型流化床的气液传质系数

气液固微型流化床兼具微流控系统和宏观流化床的优点,具有潜在的工业应用价值,但是,其应用基础研究十分缺乏。采用床径为1.6、2.0、2.4 mm的微型流化床,平均粒径为160、190、220 μm的玻璃珠,以NaOH水溶液吸收CO₂气体为气液传质研究物系,在三相流动研究的基础上,考察了表观气速、表观液速、床径、粒径等对三相微型流化床气液体积传质系数的影响。结果表明：给定其他条件,增加表观气速和表观液速,均使气液体积传质系数增大;表观气速主要改变气含率和气液相界面积,而表观液速主要改变液相传质系数;床径减小,气液相界面积和气液体积传质系数都有所增加;在气液两相微型鼓泡塔中加入固体颗粒,形成三相分散鼓泡流型,当其固含率在0.15~0.30范围内,可显著增强气液传质,其气液体积传质系数是气液微鼓泡塔的1.1~1.5倍;与宏观流化床相比,相同条件下微型床的相界面积为它的5~10倍,是微型流化床具有更大体积传质系数的主要影响因素。     

气液固微型流化床的气液传质系数

气液固微型流化床兼具微流控系统和宏观流化床的优点,具有潜在的工业应用价值,但是,其应用基础研究十分缺乏。采用床径为1.6、2.0、2.4 mm的微型流化床,平均粒径为160、190、220 μm的玻璃珠,以NaOH水溶液吸收CO₂气体为气液传质研究物系,在三相流动研究的基础上,考察了表观气速、表观液速、床径、粒径等对三相微型流化床气液体积传质系数的影响。结果表明：给定其他条件,增加表观气速和表观液速,均使气液体积传质系数增大;表观气速主要改变气含率和气液相界面积,而表观液速主要改变液相传质系数;床径减小,气液相界面积和气液体积传质系数都有所增加;在气液两相微型鼓泡塔中加入固体颗粒,形成三相分散鼓泡流型,当其固含率在0.15~0.30范围内,可显著增强气液传质,其气液体积传质系数是气液微鼓泡塔的1.1~1.5倍;与宏观流化床相比,相同条件下微型床的相界面积为它的5~10倍,是微型流化床具有更大体积传质系数的主要影响因素。     

气体分布器对气升式反应器内流场和传质特性的影响

在气升式反应器冷模实验装置中,研究了气体分布器类型及结构参数对流场和传质的影响规律。结果表明：与环形分布器和四喷嘴分布器相比,采用半球形分布器时平均气含率更高、气含率径向分布更均匀、气泡直径更小、比表面积更大、下降段液速更大、液相体积传质系数更高。气升式废水处理反应器中选用半球形气体分布器可获得更好的混合和传质效果。进一步考察了半球形分布器开孔率和开孔角度对气含率、下降段液速和体积传质系数的影响,确定了最优开孔率为0.457%、最优开孔角度为45o。研究结果可为气升式反应器的工业设计和操作优化提供依据。     

喷射环流反应器的放大效应

实验测量了两种塔径(?200和?500mm)和两种操作模式(气体单独喷射和气液同轴喷射)下喷射环流反应器内的全塔平均气含率、局部气含率及轴向液速径向分布、循环液速,归纳出全塔平均气含率的关联式。实验发现,喷射环流反应器具有十分显著的放大效应。小塔(?200)与大塔(?500)中的全塔平均气含率存在很大差异:小塔的全塔平均气含率～气速关系曲线比大塔陡峭,低气速下小塔气含率低于大塔、较高气速下高于大塔。根据漂移通量法分析得到小塔中流型转变点在表观气速0.1 m·s~(-1)左右,在实验气速范围内只存在拟均匀鼓泡流;大塔中流型转变点在表观气速0.04 m·s~(-1)左右,随气速增大从拟均匀鼓泡流转变为湍动鼓泡流。喷射环流反应器比气升式环流反应器、一般鼓泡塔全塔平均气含率略低,但循环液速更大,适用于强化固体悬浮与混合的气液固三相反应过程。     

气升-射流式多段环流反应器的流体力学和传质特性

气升式环流反应器在气液或气液固三相反应以及分离过程应用广泛,为提高气液分布和传质性能,在气升式多段环流反应器的第2段引入射流,开发一种气升-射流式多段环流反应器.在160 L的实验装置中,以水-空气体系,研究了气升-射流式多段环流反应器的流体力学和传质特性.射流可减小上升气泡的弦长,提高总体气含率,改善下降段气液分布,...     

气液反应器中气泡有效利用率(Ⅱ)──实验验证与应用研究

通过空气氧化亚硫酸钠水溶液验证了单气泡有效利用率的参数关系，实验结果与理论计算符合较好；利用气泡有效利用率对化学法和物理法测量气液间传质系数的差别进行修正．以鼓泡塔为例用气泡有效利用率修正了鼓泡塔反应器模型，讨论了气泡有效利用率在反应器设计中的应用．     

Gas-liquid mass transfer in bubble columns with a T-junction nozzle for gas dispersion

Bubble break-up, gas holdup, and the gas-liquid volumetric mass transfer coefficient are studied in a bubble column reactor with simultaneous injection of a gas and liquid through a T-junction nozzle. The theoretical dependence of bubble break-up and the volumetric mass transfer coefficient on liquid velocity in the nozzle is developed on the basis of isotropic turbulence theory. It is shown that correlations which are developed based on liquid jet kinetic power per nozzle volume explain average gas holdup and the volumetric mass transfer coefficient within an error of 15% for all gas and liquid flow rates and nozzle diameters used. Experiments with a larger scale column, height 4.64 m and diameter 0.98 m, show a transition from homogeneous to heterogeneous flow at a certain liquid flow rate through the nozzle. Liquid composition was found to have a significant effect on gas-liquid mass transfer. A phenol concentration of 10–30 mg/l in water increases the volumetric mass transfer coefficient of oxygen by 100%. This phenomenon may have significance in the chemical oxidation of wastewater.     

HYDRODYNAMICS, MIXING AND MASS TRANSFER IN A LARGE DIAMETER JET BUBBLE COLUMN

Experimental measurements for the axial and radial variations in gas holdup, axial and radial dispersion coefficients, volumetric gas-liquid mass transfer coefficient and liquid phase circulation velocity in a cone of a large diameter (122 cm) jet bubble column are presented. Two diameters of the inlet nozzle, namely 10.16 cm and 15.24 cm, three superficial gas velocities (based on cylinder diameter), 3 cm/sec, 6 cm/sec and 8 cm/sec and two superficial liquid velocities, 0.3 cm/sec and 0.6 cm/sec, are examined. The experimental data are obtained for two different bed heights.

The experimental data showed significant axial and radial variations in the gas holdup. The volumetric average gas holdup was higher at higher gas velocity and larger nozzle diameter and somewhat higher at lower liquid velocity. The axial dispersion was high while the radial dispersion was low. The volumetric gas-liquid mass transfer coefficient was larger at higher gas velocity and larger nozzle diameter. The liquid recirculation begins only at the upper end of the cone. In general, experimental data indicate that a jet bubble column provides a high degree of mixing and transport rates.     

气液喷射器的结构设计与性能分析

喷射式环流反应器是一种高效的多相反应器,由于其具有良好的传热、传质和混合特性,目前已被广泛应用于生物、化学、制冷和环境保护等工程领域。气液喷射器作为喷射式环流反应器的核心部件之一,其结构尺寸对环流反应器的传质特性和适用环境都具有显著影响。为考察结构尺寸对喷射器性能的影响,本文根据其工作原理,设计了一台模试气液喷射器,并通过冷模试验对其进行性能测试研究。试验结果表明:气液喷射器的引气能力主要取决于其混合喉管与喷嘴出口截面比f₃/f₁以及喷射器进出口压力降Δp_p/Δp_c,而环流反应器的气含率仅与喷射器的液相射流量和气体引射量有关。相同液相流量条件下,喷射器的最大引射空气量随截面比f₃/f₁的增大而增大,反应器内的平均气含率随之增加;提高液相射流与引射气体的速度差能够加强两股流体间的剪切作用,使气泡更易发生破碎。当喷射器的气液比大于2.6时,反应器内的混合流体可达到乳化状态。     

CFD在自吸反应器气液流动和传质特性研究中的应用

针对配置气体分布器的六叶轮自吸反应器建立了欧拉气液两相流三维瞬态模型,耦合Higbie气液传质模型,采用CFX软件对其气液混合过程的流场、气含率、吸气速率及溶氧传递过程进行数值模拟,获得了反应器的流动特性、气液分散性能、吸气特性及气液传质特性.分析了反应器内水平及竖直位置上的流型特征及溶氧传递性能,结合实验数据及经验关联式对比分析了对气含率及吸气速率的预测作用.结果表明,六叶轮转子及其配置的气体分布器可以获得较均匀的气液混合,气含率及吸气速率的预测与实验值偏差分别为5.2% 和17.6%,模拟发现在反应器底部近壁处溶氧及混合效果不佳.     

SMART-Reactors: Tailoring Gas Holdup Distribution by Additively Manufactured Lattice Structures

In chemical process engineering, fast gas-liquid reactions often suffer from an inefficient distribution of gas and therefore mixing and mass transfer performance. This study deals with the possibility of influencing the local gas holdup and bubble size distribution in a gas-liquid process using additively manufactured lattice structures (AMLS). The used measuring technique to study bubble size, velocity, and the local gas holdup is a photo-optical needle probe. By using AMLS, a significant radial homogenization of the local gas holdup and the mean bubble size is achieved. Furthermore, it can be demonstrated that the bubble size can be tailored by the geometry of the inserted structure. It is illustrated that the mean bubble velocities are lowered within the lattice resulting in a higher residence time of the dispersed phase with an impact on the mass transfer performance within the AMLS.     

鼓泡床反应器中气液分配器对气含率的影响

以水和空气分别模拟工业上的重质原油和氢气迚行冷模试验,考察鼓泡床反应器新型气液分配器对气含率的影响,迚而优化幵确定气液分配器的结构形式和结构参数。试验结果表明,气液分配器对总体平均气含率的影响,随表观气速的增大基本呈线性增长,与其他鼓泡床迚料内构件结构的影响基本一致,幵且稍高一些(3%~5%)。对局部气含率的影响:轴向上,在测试范围内,轴向位置越高,气含率越高,主要和泡罩式气液分配器结构有关;径向上,气体在床层中分布不均匀,中间多,近壁少,同一高度时,中心处气含率一般为近壁气含率的1.5~2倍。     

搅拌反应器内三种桨型的气、液分散与相际传质特性研究

本文以改进搅拌发酵罐的桨型为目的,对空气-水、空气-亚硫酸钠溶液系统就六平叶、弯叶、箭叶三种圆盘透平桨产生的气泡平均直径、气含率及容量传质系数的变化规律作了较为系统的研究。实验发现:相同单位体积功率、表观气速条件下,三种桨型各自产生的气泡平均直径相差不大;箭叶桨的气含率较低;六平叶圆盘透平桨具有最大的容量传质系数。     

Studies on the hydrodynamic behavior and mass transfer in a down‐flow jet loop reactor with a coaxial draft tube

The effects of certain pertinent parameters such as gas and liquid flow rates and nozzle position on the behavior of a down‐flow jet loop reactor (DJR) have been studied. The mean residence times of gas and liquid phases and the gas holdup within the reactor have been measured. In addition, the overall volumetric mass transfer coefficient, and the influence of the gas flow rate and the position of the nozzle inside the draft tube on the latter has been determined. Correlations have been presented for the gas holdup and k_La which take into account the length of the draft tube and the nozzle immersion height. The k_La values obtained at different power per unit volume (P/V) values in the DJR used in the present study compare favorably with data presented for stirred tanks and bubble columns in the literature. The liquid residence time distribution (RTD) within the reactor has been studied by tracer analysis for various operating conditions and nozzle immersion height and the results are indicative of the high mixing intensities that can be obtained in such reactions. © 2001 Society of Chemical Industry