基于電阻層析成像技術的氣升式內循環鼓泡反應器流體力學研究

靳海波，連以誠，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的氣升式內循環鼓泡反應器流體力學研究

靳海波，連以誠，劉鑫，林金芝，楊索和，何廣湘

(北京石油化工學院化學工程學院，北京，102617)

采用電阻層析成像(ERT)技術，對高為1 024 mm、直徑為165 mm，導流筒高為590 mm、直徑為80 mm的氣升式內循環反應器進行流體力學參數的測量。考察表觀氣速對上升區和下降區內等3個截面處氣含率的影響以及反應器內流型的變化情況。研究結果表明：在上升區，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，一部分氣泡由于氣液湍動被帶入下降區；隨著表觀氣速的增加，液體的循環速度逐漸增大，更多的氣泡被拖曳到下降區，下降區內氣含率增加明顯。通過對ERT圖像時間序列的疊加，可以清晰得出在上升區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且氣泡聚并明顯，并出現氣泡群的擺動；在下降區，隨著液體循環速度增加，下降區氣液層消失，氣含率逐漸增大。

氣升式內循環反應器；電阻層析成像；氣含率；時間序列流動結構

氣升式內循環反應器是氣?液、氣?液?固多相之間進行質量、動量、熱量傳遞以及化學反應的重要反應器之一。內循環流動模式改進了反應器內流體流動形式，增強了流體的流動，強化了相間的傳質、傳熱效率。因具有結構簡單、造價低、運行成本低、無運動部件、傳熱和傳質特性好、流體流動均勻、混合效率高等特點，在石油工業、生物化工、化學工業、濕法冶金、煤液化及環境保護等方面有著廣泛的應用，如費托合成、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酵工程等[1?2]。電層析成像技術(ERT)是20世紀90年代發展起來的一種以兩相流或多相流為主要對象的過程參數二維或三維分布狀況的在線實時監測技術。它將傳統的單點、局部的測量，發展為過程參數的多點、截面分布式的測量，在不破壞、不干擾流體流動的情況下，獲得設備內部兩相/多相流體的分布信息，因此，在多相流測量過程中顯示出明顯的優勢[3?5]。ERT技術的測量原理是基于不同的媒質具有不同的電導率，判斷出處于敏感場的物體電導率分布，便可知物場的媒質分布狀況。當場內的電導率分布變化時，場的分布也會隨之變化，導致場內電勢分布變化，從場域邊界上的測量電壓也要發生變化。邊界測量電壓變化包含了場域內電導率變化的信息。通過實際對象的邊界測量電壓與連續相為滿管狀態下對應位置測量電壓的對比，運用相應的成像算法，便可重建實際對象的電導率分布，實現可視化測量，同時也可以提取流型、相含率等特征參數。由于電阻層析成像(ERT)技術具有可視化、無輻射、非侵入、成本低等優點，被廣泛用于測量多相流動力學參數[6?15]。JIN等[13?15]利用電阻層析成像技術對鼓泡塔內氣液相行為參數進行了測量研究，并得到很好的結果。WANG等[16]利用ERT技術對鼓泡塔內氣液兩相流進行測量，并發展了ERT的可視化技術。韓玉環等[17]利用ERT對氣液固三相外環流反應器相含率和氣液流動結構進行研究，取得了良好的結果。GUMERY等[18]則利用ERT對氣升式內循環反應器的混合動力學參數進行了測量，研究了流體黏度、氣體分布器結構對反應器混合效率的影響。本文作者主要利用電阻層析成像技術對氣升式內循環反應器進行測量，考察表觀氣速對反應器上升區和下降區的影響，并研究反應器內流體流型在表觀氣速影響下的變化，為進一步實驗研究奠定基礎。

1 實驗

圖1所示為實驗裝置。實驗系統分為3部分：進氣系統，反應器和測量系統(見圖1)。進氣系統由空氣壓縮機、流量計等組成。整個反應器由有機玻璃制成，高1 024 mm，外徑165 mm；導流筒高590 mm，外徑80 mm；導流筒底隙高40 mm(導流筒底部到反應器底部的距離)。進氣口開孔18 mm。電阻層析成像測量系統，有傳感電極和數據采集、成像系統組成。其中電極片長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。導流筒內部電極和外部鏈接的部分套有絕緣密封套。空氣由進氣孔進入反應器導流筒內，導致反應器內電導率的變化，通過ERT測量、圖像處理系統可以實時地反映出反應器內混合流體流動的情況。

本實驗采用ITS電阻層析成像系統(P2+ v7.0?2009)，實驗前先校正ERT數據采集系統(DAS)。實驗過程中，在常溫、常壓下，表觀氣速從0.043 m/s到0.433 m/s，每次分別對Plane1，Plane2和Plane3進行數據采集，每次采集400幀圖像。由于導流筒采用有機玻璃制成，可以看出絕緣體，通過提高激勵電流來消除導流筒對下降區測量結果的影響。

圖1 實驗裝置

2 實驗結果與討論

2.1 局部氣含率

氣含率是氣液反應器中重要的動力學參數之一，它直接影響到相接觸面積，最終影響到相間傳質、傳熱以及反應速率等。因此，對氣含率及其分布特性的考察對于研究反應器放大規律有著非常重要的意義。

電阻層析成像系統每幀可測量316個電導數據，然后根據Maxwell方程得到下式，可計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(Plane1)、下降區(Plane2, Plane3)均隨表觀氣速的增加而增大；在上升區，氣含率隨表觀氣速的變化和常規鼓泡塔內情況一樣，在低氣速(小于0.13 m/s)時，上升區內氣泡呈離散型運動，表觀氣速對氣含率的影響為增加氣泡的數量，此時的流型為鼓泡流；當氣速繼續增大時，氣泡在上升區內聚并開始加劇，使得大氣泡數量增多，進而上升區內氣含率增長速率變大，但由于大氣泡在上升區內上升速度快，停留時間短，使得在上升區內氣含率變化又趨于平衡增長，并且小于低氣速下氣含率的增長速率；而在下降區，由于Plane2處靠近導流筒頂端，而在導流筒頂端由于氣液分離湍動劇烈，一部分氣泡由于氣液湍動流動被帶入下降區頂端，因此，低氣速時，Plane2處氣含率和上升區氣含率相差不大。但此時由于表觀氣速小，下降區液體流動比較緩慢，氣泡只是在下降區頂端部分，氣泡受到的升力遠遠大于液體對氣泡的曳力，此時氣泡逃逸出下降區，因此低氣速時Plane3處的氣含率幾乎為0，并且在下降區有明顯的氣液層，在氣液層以上氣泡數量很多，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，液體在整個反應器內開始循環流動，并且循環速度逐漸增大，更多的氣泡被拖曳到下降區，下降區內的氣液層也隨之逐漸消失，此時Plane3處的氣含率增加速率突然加快。當增大表觀氣速時，Plane3處的氣泡流動趨于穩定，氣含率也基本趨于穩定。而在Plane2處，由于下降區頂端湍動比較劇烈，低氣速時氣含率受到液體循環速度的影響較小，之后，液體循環速度增加，越來越多的氣泡被拖曳到下降區，氣含率隨表觀氣速的增加而增大，但增長速率趨于恒定，此處氣泡在每個階段都處于穩定階段，氣泡停留時間長。因此，Plane2是氣液傳質、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器的重要參數之一，分析氣含率徑向分布情況也有助于理解流型轉變、液體混合、傳質以及傳熱性能。氣泡在反應器內所受的徑向力對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、湍動擴散力等。由于氣泡所受的徑向力不同，導致氣含率在不同的流型下有不同的徑向分布[19]。OHNUKI等[20]通過對氣含率徑向分布的研究，認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) 在非均勻鼓泡區或較高氣速下，氣含率呈現明顯的中心峰分布。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點之一是能夠實時、可視化地顯示反應器內流動狀態，從 ERT所采集的圖像疊加得到的時間序列圖中可以反映出上升區、下降區流體流動形態。通過對每一橫截面時間序列圖進行T3D處理發現：在上升區，低氣速下氣泡離散式上升，隨著表觀氣速的增加，液體開始在反應器內循環流動，隨著液體循環速度增大，上升區內氣泡聚并明顯，此時上升區內以氣泡群的方式流動，并且出現了氣泡群的擺動，而在氣液分離時，被拖曳到下降區內的氣泡數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，隨著液體循環速度增加，下降區氣液層消失，氣含率逐漸增大。這和實驗中所觀察到現象是一致的。

(a) Plane 1；(b) Plane 2；(c) Plane 3

3 結論

1) 電阻層析成像技術對含有導流筒的兩相流反應器測量是可行的，并對電阻層析成像采集圖像進行處理，給出了氣相在反應器整個截面內軸向分布的情況。在上升區，氣含率隨表觀氣速的變化和常規鼓泡塔內情況一樣；而在下降區，由于在導流筒頂端氣液分離湍動劇烈，一部分氣泡由于氣液湍動流動被帶入下降區頂端；隨著表觀氣速的增加，液體的循環速度逐漸增大，更多的氣泡被拖曳到下降區，下降區內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，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且上升區內氣泡聚并明顯，并且出現了氣泡群的擺動；在下降區，隨著液體循環速度增加，下降區氣液層消失，氣含率逐漸增大。

參考文獻：

[1] 何廣湘, 楊索和, 靳海波. 氣升式環流反應器的研究進展[J]. 化學工業與工程. 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. 電阻層析成像技術在兩相管流測量中的應用[J]. 化工自動化及儀表, 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, 楊索和, 靳海波, 等. 氣液固三相外環流反應器相含率分布與氣液流動結構[J]. 過程工程學報, 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

國家自然科學基金資助項目(21073020)；北京市屬高等學校人才強教深度計劃項目(PHR200906139)；北京市屬高等學校高層次人才引進與培養計劃項目(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，從事多相流反應工程研究；E-mail: jinhaibo@bipt.edu.cn