靳海波，連以誠(chéng)，劉鑫，林金芝，楊索和，何廣湘

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基于電阻層析成像技術(shù)的氣升式內(nèi)循環(huán)鼓泡反應(yīng)器流體力學(xué)研究

靳海波，連以誠(chéng)，劉鑫，林金芝，楊索和，何廣湘

(北京石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，北京，102617)

采用電阻層析成像(ERT)技術(shù)，對(duì)高為1 024 mm、直徑為165 mm，導(dǎo)流筒高為590 mm、直徑為80 mm的氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器進(jìn)行流體力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。考察表觀氣速對(duì)上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)等3個(gè)截面處氣含率的影響以及反應(yīng)器內(nèi)流型的變化情況。研究結(jié)果表明：在上升區(qū)，氣含率隨表觀氣速的變化與普通鼓泡塔情況一樣，而在下降區(qū)，一部分氣泡由于氣液湍動(dòng)被帶入下降區(qū)；隨著表觀氣速的增加，液體的循環(huán)速度逐漸增大，更多的氣泡被拖曳到下降區(qū)，下降區(qū)內(nèi)氣含率增加明顯。通過(guò)對(duì)ERT圖像時(shí)間序列的疊加，可以清晰得出在上升區(qū)低氣速下氣泡離散式上升，隨著表觀氣速的增加，以氣泡群的方式流動(dòng)且氣泡聚并明顯，并出現(xiàn)氣泡群的擺動(dòng)；在下降區(qū)，隨著液體循環(huán)速度增加，下降區(qū)氣液層消失，氣含率逐漸增大。

氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器；電阻層析成像；氣含率；時(shí)間序列流動(dòng)結(jié)構(gòu)

氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器是氣?液、氣?液?固多相之間進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量、熱量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)的重要反應(yīng)器之一。內(nèi)循環(huán)流動(dòng)模式改進(jìn)了反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)形式，增強(qiáng)了流體的流動(dòng)，強(qiáng)化了相間的傳質(zhì)、傳熱效率。因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、運(yùn)行成本低、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、傳熱和傳質(zhì)特性好、流體流動(dòng)均勻、混合效率高等特點(diǎn)，在石油工業(yè)、生物化工、化學(xué)工業(yè)、濕法冶金、煤液化及環(huán)境保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用，如費(fèi)托合成、一步法合成甲醇和二甲醚、汽油脫硫、重油加氫、生物廢水處理以及發(fā)酵工程等[1?2]。電層析成像技術(shù)(ERT)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種以?xún)上嗔骰蚨嘞嗔鳛橹饕獙?duì)象的過(guò)程參數(shù)二維或三維分布狀況的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。它將傳統(tǒng)的單點(diǎn)、局部的測(cè)量，發(fā)展為過(guò)程參數(shù)的多點(diǎn)、截面分布式的測(cè)量，在不破壞、不干擾流體流動(dòng)的情況下，獲得設(shè)備內(nèi)部?jī)上?多相流體的分布信息，因此，在多相流測(cè)量過(guò)程中顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)[3?5]。ERT技術(shù)的測(cè)量原理是基于不同的媒質(zhì)具有不同的電導(dǎo)率，判斷出處于敏感場(chǎng)的物體電導(dǎo)率分布，便可知物場(chǎng)的媒質(zhì)分布狀況。當(dāng)場(chǎng)內(nèi)的電導(dǎo)率分布變化時(shí)，場(chǎng)的分布也會(huì)隨之變化，導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)電勢(shì)分布變化，從場(chǎng)域邊界上的測(cè)量電壓也要發(fā)生變化。邊界測(cè)量電壓變化包含了場(chǎng)域內(nèi)電導(dǎo)率變化的信息。通過(guò)實(shí)際對(duì)象的邊界測(cè)量電壓與連續(xù)相為滿管狀態(tài)下對(duì)應(yīng)位置測(cè)量電壓的對(duì)比，運(yùn)用相應(yīng)的成像算法，便可重建實(shí)際對(duì)象的電導(dǎo)率分布，實(shí)現(xiàn)可視化測(cè)量，同時(shí)也可以提取流型、相含率等特征參數(shù)。由于電阻層析成像(ERT)技術(shù)具有可視化、無(wú)輻射、非侵入、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于測(cè)量多相流動(dòng)力學(xué)參數(shù)[6?15]。JIN等[13?15]利用電阻層析成像技術(shù)對(duì)鼓泡塔內(nèi)氣液相行為參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量研究，并得到很好的結(jié)果。WANG等[16]利用ERT技術(shù)對(duì)鼓泡塔內(nèi)氣液兩相流進(jìn)行測(cè)量，并發(fā)展了ERT的可視化技術(shù)。韓玉環(huán)等[17]利用ERT對(duì)氣液固三相外環(huán)流反應(yīng)器相含率和氣液流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，取得了良好的結(jié)果。GUMERY等[18]則利用ERT對(duì)氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的混合動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，研究了流體黏度、氣體分布器結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)器混合效率的影響。本文作者主要利用電阻層析成像技術(shù)對(duì)氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器進(jìn)行測(cè)量，考察表觀氣速對(duì)反應(yīng)器上升區(qū)和下降區(qū)的影響，并研究反應(yīng)器內(nèi)流體流型在表觀氣速影響下的變化，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為3部分：進(jìn)氣系統(tǒng)，反應(yīng)器和測(cè)量系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)等組成。整個(gè)反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，高1 024 mm，外徑165 mm；導(dǎo)流筒高590 mm，外徑80 mm；導(dǎo)流筒底隙高40 mm(導(dǎo)流筒底部到反應(yīng)器底部的距離)。進(jìn)氣口開(kāi)孔18 mm。電阻層析成像測(cè)量系統(tǒng)，有傳感電極和數(shù)據(jù)采集、成像系統(tǒng)組成。其中電極片長(zhǎng)20 mm，寬6 mm，厚2 mm。從上到下，ERT電極相隔距離依次是30和250 mm。導(dǎo)流筒內(nèi)部電極和外部鏈接的部分套有絕緣密封套。空氣由進(jìn)氣孔進(jìn)入反應(yīng)器導(dǎo)流筒內(nèi)，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率的變化，通過(guò)ERT測(cè)量、圖像處理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地反映出反應(yīng)器內(nèi)混合流體流動(dòng)的情況。

本實(shí)驗(yàn)采用ITS電阻層析成像系統(tǒng)(P2+ v7.0?2009)，實(shí)驗(yàn)前先校正ERT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在常溫、常壓下，表觀氣速?gòu)?.043 m/s到0.433 m/s，每次分別對(duì)Plane1，Plane2和Plane3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每次采集400幀圖像。由于導(dǎo)流筒采用有機(jī)玻璃制成，可以看出絕緣體，通過(guò)提高激勵(lì)電流來(lái)消除導(dǎo)流筒對(duì)下降區(qū)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 局部氣含率

氣含率是氣液反應(yīng)器中重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)之一，它直接影響到相接觸面積，最終影響到相間傳質(zhì)、傳熱以及反應(yīng)速率等。因此，對(duì)氣含率及其分布特性的考察對(duì)于研究反應(yīng)器放大規(guī)律有著非常重要的意義。

電阻層析成像系統(tǒng)每幀可測(cè)量316個(gè)電導(dǎo)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)Maxwell方程得到下式，可計(jì)算得出局部氣含率為

(2)

圖2所示為在Plane1，Plane2和Plane3處氣含率隨著表觀氣速的變化。從圖2可以看出：上升區(qū)(Plane1)、下降區(qū)(Plane2, Plane3)均隨表觀氣速的增加而增大；在上升區(qū)，氣含率隨表觀氣速的變化和常規(guī)鼓泡塔內(nèi)情況一樣，在低氣速(小于0.13 m/s)時(shí)，上升區(qū)內(nèi)氣泡呈離散型運(yùn)動(dòng)，表觀氣速對(duì)氣含率的影響為增加氣泡的數(shù)量，此時(shí)的流型為鼓泡流；當(dāng)氣速繼續(xù)增大時(shí)，氣泡在上升區(qū)內(nèi)聚并開(kāi)始加劇，使得大氣泡數(shù)量增多，進(jìn)而上升區(qū)內(nèi)氣含率增長(zhǎng)速率變大，但由于大氣泡在上升區(qū)內(nèi)上升速度快，停留時(shí)間短，使得在上升區(qū)內(nèi)氣含率變化又趨于平衡增長(zhǎng)，并且小于低氣速下氣含率的增長(zhǎng)速率；而在下降區(qū)，由于Plane2處靠近導(dǎo)流筒頂端，而在導(dǎo)流筒頂端由于氣液分離湍動(dòng)劇烈，一部分氣泡由于氣液湍動(dòng)流動(dòng)被帶入下降區(qū)頂端，因此，低氣速時(shí)，Plane2處氣含率和上升區(qū)氣含率相差不大。但此時(shí)由于表觀氣速小，下降區(qū)液體流動(dòng)比較緩慢，氣泡只是在下降區(qū)頂端部分，氣泡受到的升力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體對(duì)氣泡的曳力，此時(shí)氣泡逃逸出下降區(qū)，因此低氣速時(shí)Plane3處的氣含率幾乎為0，并且在下降區(qū)有明顯的氣液層，在氣液層以上氣泡數(shù)量很多，氣含率很大，在氣液層以下，氣含率幾乎為0。隨著表觀氣速的增加，液體在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)，并且循環(huán)速度逐漸增大，更多的氣泡被拖曳到下降區(qū)，下降區(qū)內(nèi)的氣液層也隨之逐漸消失，此時(shí)Plane3處的氣含率增加速率突然加快。當(dāng)增大表觀氣速時(shí)，Plane3處的氣泡流動(dòng)趨于穩(wěn)定，氣含率也基本趨于穩(wěn)定。而在Plane2處，由于下降區(qū)頂端湍動(dòng)比較劇烈，低氣速時(shí)氣含率受到液體循環(huán)速度的影響較小，之后，液體循環(huán)速度增加，越來(lái)越多的氣泡被拖曳到下降區(qū)，氣含率隨表觀氣速的增加而增大，但增長(zhǎng)速率趨于恒定，此處氣泡在每個(gè)階段都處于穩(wěn)定階段，氣泡停留時(shí)間長(zhǎng)。因此，Plane2是氣液傳質(zhì)、傳熱效率比較高的地方。

1—Plane1；2—Plane2；3—Plane3。

2.2 徑向氣含率

氣含率的徑向分布也是氣升式反應(yīng)器的重要參數(shù)之一，分析氣含率徑向分布情況也有助于理解流型轉(zhuǎn)變、液體混合、傳質(zhì)以及傳熱性能。氣泡在反應(yīng)器內(nèi)所受的徑向力對(duì)氣含率的徑向分布意義很大，氣泡所受的徑向力包括升力、壁面力、湍動(dòng)擴(kuò)散力等。由于氣泡所受的徑向力不同，導(dǎo)致氣含率在不同的流型下有不同的徑向分布[19]。OHNUKI等[20]通過(guò)對(duì)氣含率徑向分布的研究，認(rèn)為氣液兩相流中氣含率的徑向分布情況有2種：1) 在均勻鼓泡區(qū)或較低氣速下，氣含率為邊壁峰或均勻分布；2) 在非均勻鼓泡區(qū)或較高氣速下，氣含率呈現(xiàn)明顯的中心峰分布。圖3~5分別為Plane1~3處不同表觀氣速下氣含率的徑向分布。在較低氣速下，氣含率的幾乎呈均勻分布，而在高氣速下，氣含率呈峰中心分布較明顯，這和OHNUKI等[20]的結(jié)論是一致的。

圖3 Plane1處氣含率徑向分布

圖4 Plane2處氣含率徑向分布

圖5 Plane3處氣含率徑向分布

2.3 ERT可視化

電阻層析成像最重要的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠?qū)崟r(shí)、可視化地顯示反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，從 ERT所采集的圖像疊加得到的時(shí)間序列圖中可以反映出上升區(qū)、下降區(qū)流體流動(dòng)形態(tài)。通過(guò)對(duì)每一橫截面時(shí)間序列圖進(jìn)行T3D處理發(fā)現(xiàn)：在上升區(qū)，低氣速下氣泡離散式上升，隨著表觀氣速的增加，液體開(kāi)始在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，隨著液體循環(huán)速度增大，上升區(qū)內(nèi)氣泡聚并明顯，此時(shí)上升區(qū)內(nèi)以氣泡群的方式流動(dòng)，并且出現(xiàn)了氣泡群的擺動(dòng)，而在氣液分離時(shí)，被拖曳到下降區(qū)內(nèi)的氣泡數(shù)量以及氣含率也隨著表觀氣速的增加而增加。因此，在下降區(qū)，隨著液體循環(huán)速度增加，下降區(qū)氣液層消失，氣含率逐漸增大。這和實(shí)驗(yàn)中所觀察到現(xiàn)象是一致的。

(a) Plane 1；(b) Plane 2；(c) Plane 3

3 結(jié)論

1) 電阻層析成像技術(shù)對(duì)含有導(dǎo)流筒的兩相流反應(yīng)器測(cè)量是可行的，并對(duì)電阻層析成像采集圖像進(jìn)行處理，給出了氣相在反應(yīng)器整個(gè)截面內(nèi)軸向分布的情況。在上升區(qū)，氣含率隨表觀氣速的變化和常規(guī)鼓泡塔內(nèi)情況一樣；而在下降區(qū)，由于在導(dǎo)流筒頂端氣液分離湍動(dòng)劇烈，一部分氣泡由于氣液湍動(dòng)流動(dòng)被帶入下降區(qū)頂端；隨著表觀氣速的增加，液體的循環(huán)速度逐漸增大，更多的氣泡被拖曳到下降區(qū)，下降區(qū)內(nèi)氣含率增加速率加快。

2) 氣含率隨表觀氣速的增加而增大，在較低氣速下，氣含率分布均勻，而在高氣速下，氣含率呈峰中心分布較明顯。

3) 在上升區(qū)，低氣速下氣泡離散式上升；隨著表觀氣速的增加，以氣泡群的方式流動(dòng)且上升區(qū)內(nèi)氣泡聚并明顯，并且出現(xiàn)了氣泡群的擺動(dòng)；在下降區(qū)，隨著液體循環(huán)速度增加，下降區(qū)氣液層消失，氣含率逐漸增大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何廣湘, 楊索和, 靳海波. 氣升式環(huán)流反應(yīng)器的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程. 2008, 25(1): 65?71. HE Guangxiang, YANG Suohe, JIN Haibo. Development of air loop reactors[J]. Chemical Industrial and Engineering, 2008, 25(1):65-71.

[2] NIE Dashi, CUI Yingying, ZHANG Qiang. Characteristics and application of airlift loop reactor[J]. Chemical Industry & Engineering, 2004, 25(6): 6?10.

[3] WANG F, MARASHDEH Q, FAN L S, et al. Electrical capacitance, electrical resistance, and positron emission tomography techniques and their applications in multi-phase flow systems[J]. Adv in Chem Eng, 2009, 37: 179?222.

[4] ALBION K J, BRIENS L, BRIENS C, et al. Multiphase flow measurement techniques for slurry transport[J]. Inter J of Chem Reac Eng, 2011, 9(1): 1?50.

[5] MENG Z, HUANG Z, WANG B, et al. Air-water two-phase flow measurement using a venture meter and an electrical resistance tomography sensor[J]. Flow Meas Instrum, 2010, 21(3): 268?176.

[6] WANG M, MANN R, DICKIN F J. Electrical resistance tomography sensing system for industrial applications[J]. Chem Eng Commun, 1999, 175(1): 49?70.

[7] JIN Haibo, WANG M, WILLIAMS R A. The effect of sparger geometry on gas bubble ?ow behaviors using electrical resistance tomography[J]. Chin J Chem Eng, 2006, 14(1): 127?131.

[8] WILLIAMS R A, WANG M. Dynamic imaging of process plant reactors and separators using electrical process tomography[J]. Oil Gas Sci Technol, 2000, 55(2): 185?186.

[9] VLAEV D S, WANG M, DYAKOWSKI T, et al. Detecting ?lter-cake pathologies in solid-liquid ?ltration: semitech scale demonstrations using electrical resistance tomography[J]. Chem Eng J, 2000, 77(1/2): 87?92.

[10] WANG M. Impedance mapping of particulate multiphase ?ows[J]. Flow Meas Instrum, 2005, 16(2/3): 183?189.

[11] 董峰, 劉小平, 鄧湘, 等. 電阻層析成像技術(shù)在兩相管流測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2001, 28(6): 50?54. DONG Feng, LIU Xiaoping, DENG Xiang, et al. Application of electrical resistance tomography in two-phase flow measurement [J]. Control and Instruments in Chemical Industry, 2001, 28(6): 50?54

[12] JIN H B, YANG S H, WANG M, et al. Measurement of gas holdup profiles in a gas liquid cocurrent bubble column using electrical resistance tomography[J]. Flow Meas Instrum, 2007, 18(5/6): 191?196.

[13] JIN H, WANG M, WILLIAMS R A. Analysis of bubble behaviors in bubble column using electrical resistance tomography[J]. Chem Eng J, 2007, 130(2/3): 179?185.

[14] JIN H, LIAN Y, YANG S, et al. The Parameters Measurement of air-water two phase flow using electrical resistance tomography (ERT) technique in a bubble column[J]. Flow Meas Instrum, 2013, 31(6): 55?60.

[15] JIN H, LIAN Y, QIN Y, et al. Distribution characteristics of holdups in a multi-stage bubble column using electrical resistance tomography[J]. Particuology, 2013, 11(2): 225?231.

[16] WANG M, JIA X, BENNET M, et al. Bubble column measurement and control using electrical resistance tomography[C]// XIE H, WANG Y, JIANG Y, eds. Computer Application in the Minerals Industries. A A Balkema/Rotterdam, Netherlands, 2001: 459?464.

[17] 韓玉環(huán), 楊索和, 靳海波, 等. 氣液固三相外環(huán)流反應(yīng)器相含率分布與氣液流動(dòng)結(jié)構(gòu)[J]. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2010, 10(5): 862?867. HAN Yuhuan, YANG Suohe, JIN Haibo, et al. Distribution characteristics of phase holdups and flow structure of gas?liquid in a three-phase external loop airlift reactor[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2010, 10(5): 862?867.

[18] GUMERY F, EIN-MOZAFFARI F, DAHMAN Y. Macromixing hydrodynamic study in draft-tube airlift reactors using electrical resistance tomography[J]. Bioprocess Biosyst Eng, 2011, 34(2): 135?144.

[19] LUCAS D, KREPPER E, PRASSER H M. Prediction of radial gas profiles in vertical pipe flow on the basis of bubble size distribution[J]. Int J Therm Sci, 2001, 40(3): 17?225.

[20] OHNUKI A, AKIMOTO H. Experimental study on transition of flow pattern and phase distribution in upward air-water two-phase flow along a large vertical pipe[J]. Intl J Multi Flow, 2000, 6(3): 67?386.

(編輯 陳愛(ài)華)

Hydrodynamic parameters in an airlift inner-loop column using electrical resistance tomography

JIN Haibo, LIAN Yicheng, LIU Xin, LIN Jinzhi, YANG Suohe, HE Guangxiang

(Department of Chemical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China)

The hydrodynamic parameters are studied in an airlift inner-loop reactor (height 1 024 mm, diameter 165 mm) with draft tube (height 590 mm, diameter 80 mm) using electrical resistance tomography (ERT) technology. The influence of gas superficial velocity on gas holdup of three cross sections was presented and the transformation of flow structure was also discussed. The results show that gas holdups in the rise area increased with the increase of the superficial gas velocity. In addition, liquid circulation velocity increases gradually and a part of bubbles drops into down-comer zone due to the gas-liquid turbulent with the increase of superficial gas velocity, and the gas holdup in down-comer zone increases significantly. Moreover, the transformation of flow structure in the reactor can be seen clearly with the result of composition of ERT time series images. Bubbles in the rising area increase with the discrete type under the low gas velocity, and the bubble swarms rise with the spiral escalation due to the rising bubble coalescence with the increase of superficial gas velocity. Meanwhile, this technique offers the possibility for noninvasive and nonintrusive visualization of ?ow ?elds in the reactor and provides a foundation for the future research.

airlift inner-loop reactor; electrical resistance tomography; gas holdup; flow structure with time series

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.042

TQ021

A

1672?7207(2016)11?3935?05

2016?01?03；

2016?04?15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21073020)；北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教深度計(jì)劃項(xiàng)目(PHR200906139)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(CIT&TCD20130325) (Project(20776018) supported by the National Natural Science Foundation of China；Project(PHR200906139) supported by Funding Project for Academic Human Resources Development in Institutions of Higher Learning under the Jurisdiction of Beijing Municipality; Project(CIT&TCD20130325) supported by the Importation and Development of High-Caliber Talents Project of Beijing Municipal Institutions)

靳海波，博士，教授，從事多相流反應(yīng)工程研究；E-mail: jinhaibo@bipt.edu.cn