郭舒 董紀(jì)鵬 鮑捷 李建隆

摘 ?????要： 篩板塔塔內(nèi)件的作用主要是增大氣液比表面積，改變氣液接觸形式，以提高塔內(nèi)傳質(zhì)、傳熱。研究者提出了新型微氣泡塔盤(pán)，通過(guò)在篩板上方的泡沫層內(nèi)增加破泡組件，利用破泡組件使大氣泡破裂為小氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液傳質(zhì)、傳熱效果。利用自行設(shè)計(jì)的篩板塔和微氣泡塔盤(pán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及PIV測(cè)速系統(tǒng)，測(cè)定了塔板上氣泡的直徑分布和上升速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與普通篩板相比較，微氣泡塔盤(pán)上氣泡的上升速度較小，氣泡停留時(shí)間更長(zhǎng)，且徑向分布更平坦;氣泡直徑也僅為篩板的1/16，氣液接觸的比表面積增大，更利于傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行。

關(guān) ?鍵 ?詞：強(qiáng)化傳質(zhì);微氣泡塔盤(pán);破泡裝置;氣泡直徑

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ053.5 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)：?1671-0460（2019）11-2513-04

Experimental Study on Flow Characteristics of Microbubble

Tray Based on Mass Transfer Enhancement

GUO Shu， DONG Ji-peng， BAO Jie， LI Jian-long^*

（College of Chemical Engineering， Qingdao University of Science &Technology， Shandong Qingdao 266042， China）

Abstract： The function of inner parts of sieve tray tower is to increase the specific surface area of gas-liquid and change the contact form of gas-liquid in order to improve mass transfer and heat transfer in the tower. The researchers put forward a new type of micro bubble tray. By adding bubble breaking assembly?in the foam layer above the sieve plate， big?bubbles can be broken into small bubbles to increase the gas-liquid contact area， and improve the gas-liquid mass transfer and heat transfer effect. The diameter distribution and rising velocity of bubbles on the sieve tray and micro-bubble tray were measured using a self-designed experimental platform and PIV speed measurement system. The experimental results showed that compared with the ordinary sieve plate， the rising speed of bubbles on the microbubble tray was smaller， the residence time of bubbles was longer， and the radial distribution was more flat; the diameter of bubbles was only 1/16 of the sieve plate， and the specific surface area of gas-liquid contact increased， which was more conducive to the mass transfer process.

Key words： Enhanced mass transfer; Micro-bubble tray; Bubble breaking device; Bubble diameter

石油化工領(lǐng)域，精餾塔^[1-6]作為一種主要的分離設(shè)備在提高生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起到舉足輕重的作用。篩板塔^[7-9]作為一種常用的板式精餾塔，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、塔板效率高、生產(chǎn)能力大等諸多優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛應(yīng)用。塔板是氣液兩相接觸并進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的場(chǎng)所，其傳熱、傳質(zhì)過(guò)程的提高和優(yōu)化歷來(lái)都是國(guó)內(nèi)外研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一。強(qiáng)化氣液傳質(zhì)、傳熱過(guò)程，可顯著設(shè)備提高生產(chǎn)效率，降低操作運(yùn)行費(fèi)用。為此，研究人員先后開(kāi)發(fā)了一系列具有低壓降、高通量、抗堵塞性能的新型塔板，如95型大通量塔板^[10]、新型垂直篩板^[11]、新型立體噴射式復(fù)合塔板^[12]等。

從各種篩板技術(shù)的不斷更新中可以看出，篩板塔的改進(jìn)和優(yōu)化主要集中在液體出入口空間的改進(jìn)、鼓泡區(qū)面積的強(qiáng)化和降液管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化三個(gè)方面^[13-15]。開(kāi)發(fā)的方向也多是針對(duì)解決某些特定問(wèn)題，如低壓降、高通量、抗堵塞等。且新型塔板的開(kāi)發(fā)更多地是強(qiáng)調(diào)內(nèi)件的一體化和傳質(zhì)元件的復(fù)合化，使得塔板結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，造價(jià)高昂。本文提出了一種簡(jiǎn)單易行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過(guò)在篩板上架設(shè)“破泡裝置”，以強(qiáng)化氣液傳質(zhì)效果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行考察，為其在工業(yè)上的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)流程（如圖1）

加有羅丹明B（一種示蹤粒子）的水從儲(chǔ)罐6由水泵7經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)8注入實(shí)驗(yàn)塔內(nèi)，空氣由風(fēng)機(jī)11經(jīng)過(guò)孔板流量10計(jì)從塔底通入塔內(nèi)，經(jīng)過(guò)氣體分布器4到達(dá)實(shí)驗(yàn)篩板3，氣液兩相錯(cuò)流接觸。在恒定的液體流量條件下，通過(guò)PIV系統(tǒng)的CCD相機(jī)拍攝不同氣速下均勻鼓泡狀態(tài)的照片，再利用計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)計(jì)氣泡尺寸、氣泡上升速度及其分布情況。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用篩板塔的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，外徑為125 mm，壁厚2.5 mm，內(nèi)部安裝實(shí)驗(yàn)篩板、篩網(wǎng)和氣體分布器，氣體分布器安裝在篩板偏下180 mm處，篩板的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備具體參數(shù)如表1所示。

1.3 ?實(shí)驗(yàn)方法

粒子成像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)PIV）是從上世紀(jì)80年代初由流動(dòng)顯示技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種瞬時(shí)平面流場(chǎng)的測(cè)量方法^[16-18]。PIV先后經(jīng)歷了從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變^[19]。流動(dòng)空間結(jié)構(gòu)的需要、湍流研究的需求和穩(wěn)定流場(chǎng)的測(cè)試需要為PIV技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力，圖像處理技術(shù)的發(fā)展和陣列式計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生又為其提供了技術(shù)基礎(chǔ)，成為近年來(lái)流體力學(xué)領(lǐng)域的重要成就之一。

PIV測(cè)試的原理是：向待測(cè)流體中撒入跟隨性較好的示蹤粒子，利用激光在較短時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)照亮待測(cè)區(qū)域，通過(guò)相機(jī)拍攝記錄包含示蹤粒子的圖像，然后將圖像分成上百乃至上千個(gè)查詢(xún)區(qū)域，通過(guò)傅里葉變換等方法算出示蹤粒子在每個(gè)查詢(xún)區(qū)域的速度，從而得到整個(gè)區(qū)域的速度場(chǎng)，并進(jìn)一步得到其他的信息，是一種瞬時(shí)的多點(diǎn)測(cè)試技術(shù)。本次實(shí)驗(yàn)拍攝圖如圖3所示，通過(guò)將拍攝的圖片存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行一系列分析和處理，可較為準(zhǔn)確的得到氣泡直徑與上升速度等參數(shù)。

本次實(shí)驗(yàn)在液體流量2 L/min，氣體流量16～20 m³/h的條件下進(jìn)行。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ?氣泡上升速度

氣泡的上升速度對(duì)塔板上的氣液傳質(zhì)有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，氣體上升速度慢，氣體在清液層內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于傳質(zhì)的進(jìn)行。反之，則停留時(shí)間較短，不利于傳質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)主要探究了表觀氣速對(duì)氣泡上升速度的影響，以及不同軸向位置的氣泡速度分布情況。

圖4為普通篩板塔內(nèi)，堰流強(qiáng)度為0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液層高度為0.012 m時(shí)，不同表觀氣速下，z=0.02 m橫截面上的氣泡上升速度分布圖。圖中可以看出：表觀氣速對(duì)氣泡上升速度影響顯著，通氣量較小時(shí)，氣泡上升速度較小，徑向分布較平緩，塔中心處形成的氣泡最大，故其上升速度也最快;通氣量較大時(shí)，最大氣泡上升速度增大，但是塔壁附近氣泡上升速度變化不及塔中心明顯，這是由于塔壁附近氣含率低，隨表觀氣速的增加變化不大，氣泡聚并作用較弱的緣故。

圖5是微氣泡塔盤(pán)內(nèi)，堰流強(qiáng)度為0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液層高度為0.012 m時(shí)，不同表觀氣速下，z=0.02 m橫截面上的氣泡上升速度分布圖，與圖3對(duì)比可以看出，表觀氣速對(duì)氣泡上升速度影響較小，雖然隨著通氣量的增加，氣泡的上升速率也會(huì)增大，但是增幅卻不如篩板中那么迅速，且從數(shù)值上可以看出，氣泡上升速度低于篩板中的氣泡上升速度，最大氣泡上升速度為15 cm·s^-1，而篩板的為20 cm·s^-1，氣泡在液相中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)傳質(zhì)的進(jìn)行更加有利。塔板中心的氣泡上升速度仍然是最大的。不同于篩板的氣泡上升速度徑向分布，微氣泡塔盤(pán)中的分布更均勻，說(shuō)明氣泡大小和聚并程度較為一致。受到破泡裝置的影響，過(guò)孔的氣泡直徑分布在1～3 mm范圍內(nèi)，這種小氣泡射流速度小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，不容易破碎。

2.2 ?氣泡直徑分布

本文統(tǒng)計(jì)的氣泡平均直徑d_o是指通過(guò)氣泡重心的弦長(zhǎng)的平均值。默認(rèn)它為氣泡的等效直徑，它與氣含率、界面濃度、表面張力等有著直接聯(lián)系，氣泡的大小決定著氣液兩相混合的比表面積，比表面積的大小決定了氣液傳質(zhì)效果。當(dāng)氣泡平均直徑較大時(shí)，表明氣泡的體積較大，上升速度快，不利于氣液兩相傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比考察了普通篩板塔盤(pán)和微氣泡塔盤(pán)上氣泡平均直徑的變化。

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)選擇表觀氣速為0.233 m·s^-1，堰流強(qiáng)度為0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液層高度為0.012 m的操作條件下的氣泡圖像進(jìn)行分析，分別選取了z₁=0.02 m、z₂=0.05 m、z₃=0.08 m三個(gè)高度，獲取了塔板上氣泡的徑向分布情況。篩板塔板上，大氣泡集中在塔板中心，這與前文所述塔板中心處氣泡上升速度最大相呼應(yīng)，靠近塔壁附近氣泡較小，這是因?yàn)樗跉夂实?。隨著軸向高度的增加，中心氣泡也在增大，實(shí)際上，當(dāng)氣泡增大到一定程度時(shí)，其增長(zhǎng)程度就會(huì)放緩，這是外力平衡的結(jié)果，最終氣泡上升或至與自由界面接觸發(fā)生破碎，或受擠壓擾動(dòng)發(fā)生形變破碎。本文測(cè)量的剛過(guò)孔的氣體產(chǎn)生的氣泡大約為30 mm，這與對(duì)單孔鼓泡氣泡團(tuán)的研究基本相符^[20]，在z₃=0.08 m處，整個(gè)截面的氣泡平均直徑約為42.5 mm，同時(shí)氣泡分布范圍變大，如此大的氣泡是很不利于傳質(zhì)的;靠近邊壁的弓形區(qū)形成回流，聚并和破碎作用此消彼長(zhǎng)，相互制約，所以隨著軸向高度的增加，塔壁附近氣泡平均直徑的增加并不明顯。

如圖7所示，微氣泡塔盤(pán)的氣泡分布規(guī)律和篩板的大致相同，最大的氣泡也集中在塔板中心處，隨著軸向高度的增加，中心氣泡聚并作用增強(qiáng)，氣泡不斷長(zhǎng)大，塔壁附近的氣含率較低，所以氣泡較小。對(duì)比篩板和微氣泡塔盤(pán)上的氣泡分布，可以十分明顯的看出破泡裝置的破泡效果：氣泡平均直徑的分布由篩板塔的22～56 mm降低至微氣泡塔盤(pán)的1～3.5 mm，篩板中過(guò)孔形成的氣泡直徑較大，在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)較難保持形狀穩(wěn)定;微氣泡塔盤(pán)中破泡裝置的孔徑小，形體曳力大，初期形成的氣泡較小，直徑較小的氣泡在水中容易保持其穩(wěn)定形態(tài)，其發(fā)生變形的時(shí)間比大氣泡晚^[21]，由于孔的尺寸遠(yuǎn)小于氣泡最小直徑，增大了氣泡上升過(guò)程的阻力，突然的收縮使大氣泡破碎成無(wú)數(shù)小氣泡。小體積、小氣泡上升速度都對(duì)傳質(zhì)發(fā)揮積極影響。

3 ?結(jié) 論

本文采用PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)普通篩板和微氣泡塔盤(pán)上氣泡的上升速度與氣泡直徑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可得出以下結(jié)論：

（1）板上氣泡的上升速度與表觀氣速成正比，氣泡上升速度在塔板中心出現(xiàn)峰值;相比較來(lái)說(shuō)，普通篩板上最大的氣泡上升速度達(dá)到了20 cm/s，微氣泡塔盤(pán)僅為15.2 cm/s，且微氣泡塔盤(pán)氣泡上升速度隨著表觀氣速改變的變化亦較小，徑向分布更平坦，氣泡停留時(shí)間更長(zhǎng)，有利于傳質(zhì)的進(jìn)行。

（2）篩板與微氣泡塔盤(pán)中板上氣泡平均直徑的分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律，都隨著軸向高度的增大，氣泡直徑變大，同一軸向高度上，氣泡的直徑自塔板中心處向塔壁方向遞減;但微氣泡塔盤(pán)中的氣泡直徑僅為篩板的1/16。氣泡直徑小，比表面積增大，傳質(zhì)比表面積增大，有利于傳質(zhì)的進(jìn)行。

（3）通過(guò)上述對(duì)比分析，微氣泡塔盤(pán)比普通篩板具有更加優(yōu)異的氣液傳質(zhì)和分離效果。

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