[发明专利]射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法

说明书

本发明公开了射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法，采用高速摄像机测量气泡流动过程图像，采用微分压力传感器测得气液反应器两处不同高度处的液体压力，计算气液鼓泡流化床内的气泡孔隙率，揭示了受哭泣气泡影响的复杂尺寸分布的气泡湍流流动特性，且揭示了不同进口体积流率下均匀流动离散小尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡诱发大尺寸气泡的流动特性、哭泣气泡破碎诱发产生微小尺寸气泡的流动特性和哭泣气泡影响气液湍流流动特性，建立了气泡比表面积与直管气流分布器进口体积流率的关系拟合式。本发明能提出不平衡入口射流条件的优化策略，增加气泡比表面积以提高总传质能力，为反应器性能优化提供基础。

技术领域

本发明属于气液多相湍流流动反应器技术领域，具体涉及一种射流气泡哭泣对气液鼓泡流化床湍流流动影响的测量方法。

背景技术

气液鼓泡流化床反应器在催化裂化工业、靶向生物制药以及新能源领域得到广泛应用，其主要优点在于机械结构简单、运动部件少、较经济的运行成本、易控的液态流型控制及气液相间接触面积。气液湍流流动中气泡平均尺寸分布、气泡产生频率和相间接触面积、以及气泡间的相互作用，对传热传质的传递行为及产品转换率和获取收率影响较大。气液鼓泡流化床的三种气液主要湍流流动为离散均匀气泡流动、过渡流动和多尺寸分布气泡非均匀湍流流动，优化和控制的最终目的为获得小尺寸离散均匀气泡流动，这样的优点在于气泡尺寸分布均匀并容易实现流型的控制。系统中出现大尺寸气泡是诱发气泡之间聚并、碰撞和破裂的主要因素，危害在于造成了气泡的非均匀湍流流动以及气泡间存在强烈的碰撞和破碎，气泡尺寸分布将呈现双峰值或多峰值分布，气泡均匀分布状态已经被破坏，导致气液湍流流动的可控性非常困难。

直管气流分布器的大量射流孔在加工制造和设计中，不平衡特性入口射流是不可避免的。每个射流孔的流动取决于局部压力驱动力和动量守恒定律，困难在于如何选取动量恢复系数、射流孔径系数和摩擦因子等。当气流穿过射流孔的压力降不足以支撑液体时，导致液体回流堵塞或覆盖、干扰射流孔射流流动，此现象称之为气泡哭泣。此时，必将导致平衡射流体系的破坏而产生大尺度气泡，以及大量的射流孔发生气泡量尺寸不均匀。对大气泡的发生如何破坏直管射流分布器鼓泡流化床气泡湍流运动特性的研究目前仍为空白。

气泡哭泣产生的主要原因在于射流孔直径的加工不均匀性和射流孔排列拓扑结构的不合理性，导致较大射流孔直径的射流孔出现大尺度气泡的发生和发展，对均匀气液流动施加破坏性扰动。气泡平均尺寸和物性将对气液流动特性产生较大影响。大量实验和数值模拟研究已经证实，要准确掌握气泡尺寸的变化趋势，必须考虑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。大多研究均假定直管射流孔射流速度是平衡的，各个射流孔产生的气泡尺寸均一的均匀分布。不同气泡初始尺寸产生会改变气泡-液体的表观密度，影响传热和传质的能力。既然不同气泡初始尺寸产生是一种无法消除的现象，所以必须对其加以研究，掌握对湍流流动影响的规律，降低危害到最低限度。

当前的研究对于复杂的气液两相湍流流动本质的认知，无论在实验研究和基础理论探求均十分匮乏，如气泡间、气泡与液体间的相互作用，气液两相如何实现湍流流态的转变及流形判别的准则，变形的气泡运动碰撞、聚并和破碎，气泡各向异性弥散特性等。基于经验和半经验特性的结论严重缺乏对理论和基础规律的导向。虽然已经开展大量气泡湍流流动实验和数值模拟研究，但因受到实验装置、制备、运行、操作条件和实验测试手段差异，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。

迄今为止，对于直管式气流分布器气泡哭泣研究甚少，并且尚未有量化其流动特性和对其气液湍流扰动的研究，缺乏：(1)大尺寸哭泣气泡与射流孔的发生和发生频率、分布器表面的脱离、运动过程中聚并与破碎造成的气泡平均分布和比表面积等关系的实验基础数据；(2)在不同射流方向、液相工质和体积流率操作条件下，哭泣气泡的运动特性和对复杂气液多相湍流体系影响的数据。

发明内容