[发明专利]一种气液鼓泡流化床的气体射流优选方法

说明书

本发明公开了一种气液鼓泡流化床的气体射流优选方法，搭建好气液鼓泡流化床，进行气泡流动特性测量，构建出气泡平均直径求解模型，通过气泡平均直径的经验关联模型计算出气泡平均直径满足预设范围的各射流孔气体射流速度值；气液鼓泡流化床实际作业时，在满足预设范围的各射流孔气体射流速度值中确定不存在气泡直径不小于1.0mm且频率分布最优的气体射流速度。本发明首次提出气体向下射流且射流速度在4.0‑8.0m/s范围内时气泡平均直径的经验关联模型，为直管气流分布器气液鼓泡床反应器的商业规模放大和优化提供理论模型，以此节约高性能反应器商用时参数优选试验时间，大大提升商用反应器性能。

技术领域

本发明属于气液多相湍流流动反应器技术领域，具体涉及一种气液鼓泡流化床的气体射流优选方法。

背景技术

气液鼓泡流化床反应器因其机械结构简单、无明显的运动构件、较低成本的运行和操作费用、较大的气液相间接触面积及较强的传热和传质能力，广泛应用在石油化工催化领域、生物制药工程、低碳清洁燃烧和可持续能源领域。气液鼓泡床内气泡湍流流动特性，如气泡平均尺寸分布、上升运动速度及聚并、碰撞和破碎行为对床内气液流动的流动形态、气含率分布等气液流体动力学特性影响较大，进而提高或降低传递行为及产品转换率和获取收率。三种气液湍流流动为气液鼓泡流化床主要流型，即离散均匀气泡流动、混乱过渡流动和聚并-破碎非均匀湍流流动。气液鼓泡流化床优化设计的目的是获取或者实现多区域的小尺寸离散均匀气泡流动，气泡此刻呈现没有相助作用的离散气泡运动状态，气泡尺寸分布均匀，易于实现气液流型的控制。高表观气速是诱发气泡之间聚并、碰撞和破碎的主要因素。在气泡非均匀湍流流动中，气泡与气泡之间存在强烈的碰撞和破碎导致气泡尺寸分布变为统计双峰值或者多峰值分布特性，气泡均匀分布状态已经被打破，对于气液湍流控制非常困难。就操作工况而言，确保气泡尺寸均匀分布并保证气泡直径不小于1.0mm，也就是没有微小尺寸气泡的存在，从而避免较高的气泡破碎的能量耗散是最为理想的。当气泡聚并和破碎发生时微小气泡的存在是无法避免的。追求高效率传质能力必须要求气泡为小尺寸均匀分布，以通过增加总气泡表面积而提高传质系数。

尽管鼓泡反应器在运行时表观气速值并不大，但对于直管气流分布器射流气体经过直径非常小的射流口之后，气泡入口射流速度值较高。这样，气泡聚并和破碎的发生概率依旧很高。如果沿着全部流化床高度范围内，假定均匀气泡尺寸而忽略聚并和破碎情况，会产生较大误差。可以解释为液体工质的粘性和表面张力物性等沿床高是发生变化的，而这些参数直接影响气泡尺寸分布。射流气体进入反应器入口，可因入口具有不同气泡初始尺寸产生而诱发不同气泡-液体的表观密度，从而影响传热传质的性能。发生在直管气流分布器表面气泡的初始尺寸受到分布器几何设计参数、入口射流速度和液体物性等因素影响。随着向气液表面的流动，气泡在脱离气流分布器表面后在逐渐向上至气液表面运动过程中，张力力平衡态被打破，伴随着越来越多的气泡的参与，加剧气泡聚并和破碎发生概率。准确预报反应器内气泡尺寸的变化趋势，必须掌握气泡在脱离气流分布器表面或者附近区域的初始尺寸分布。

虽然已经开展大量气泡湍流流动实验和数值模拟研究，但因实验装置和制备、运行和操作条件以及实验测试手段的差异，导致结果存在较大不确定性，无法得到统一的理论指导规律和实验经验关联。此外，因缺少对极其复杂的气液两相湍流流动本质的认知，如气泡和液体相间相互作用、气液两相湍流流态的转变、气泡运动碰撞、聚并和破碎及气泡各向异性弥散特性等，研究结果大多基于经验和半经验特性，缺乏理论和实验基础数据规律的引导。

当前研究均认为沿着射流孔的入口射流速度是均匀一致的，但实际上其为非均匀分布。其取决于直管气流分布器的设计参数，如气体压力、运动动能和摩擦力等，这些均会沿着管路损失。均匀射流气体进入反应器液相会提高气液交互界面的传质系数，及弱化液体返混和避免射流死区概率。研究表明在气流分布器表面和附近区域的气泡脱离过程、聚并和破碎事件，极大程度受到射流孔直径、孔间距以及射流入口速度的影响，从而改变流动形态和传热传质能力。