微氣泡技術(shù)在鼓泡塔中的實(shí)驗(yàn)研究

魯志強(qiáng)，楊 麗，張 晨，楊 燁，朱躍釗

（1.南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

鼓泡塔擁有較大的相際接觸面積和持液量，傳熱、傳質(zhì)效率也 高于一般兩相反應(yīng)器，且具有結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前普遍應(yīng)用于石油化工、生物化工以及環(huán)境化工等領(lǐng)域［1-2］。但是，在大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用中，由于存在塔內(nèi)液相返混現(xiàn) 象而影響兩相反應(yīng)過程，會降低反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性［3］。鼓泡塔中液相返混程度與氣泡直徑、表觀氣速、高徑比、塔徑、操作條件等多種因素影響有關(guān)［4-5］。微氣泡通常是指直徑介于0.1～50 μm之間的微小氣泡，在液體中一經(jīng)產(chǎn)生后，與普通氣泡相比，由于所受浮力較小，因而在液相中上升比較緩慢，界面與液相接觸時(shí)間也較長；而普通氣泡由于直徑較大，在溶液中所受浮力遠(yuǎn)大于重力，會迅速上升到液面并破裂。微氣泡具有液相存在時(shí)間長、傳質(zhì)效率高和界面ζ電位較高等特殊性質(zhì)［6-9］。通常影響微氣泡發(fā)生裝置性能的主要影響因素有進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量和進(jìn)氣流量等［10］。目前降低鼓泡塔中液相返混主要 有在鼓泡塔中間安裝多孔板和在鼓泡塔中心安裝阻尼內(nèi)構(gòu)件兩種方法，用以獲得均勻的速度分布［11-13］，雖能一定程度地改善返混，但作用不大。

本工作從造成鼓泡塔液相返混的根本原因出發(fā)，通過減小氣泡體積的方式考察微氣泡對鼓泡塔液相返混的影響。將引射流式微氣泡發(fā)生裝置與傳統(tǒng)鼓泡塔相結(jié)合，設(shè)計(jì)搭建了一套微氣泡鼓泡塔實(shí)驗(yàn)裝 置，研究該新型鼓泡塔中液相返混程度。實(shí)驗(yàn)中選取進(jìn)氣流量、進(jìn)水流量、進(jìn)水壓力和高徑比等影響因素，針對微氣泡與普通氣泡條件下鼓泡塔內(nèi)液相返混程度，分別開展了正交實(shí)驗(yàn)和對比實(shí)驗(yàn)，分析了采用微氣泡鼓泡形式下的鼓泡塔對液相返混的改善程度。為了研究微氣泡對鼓泡塔內(nèi)兩相反應(yīng)過程的影響，進(jìn)一步針對塔內(nèi)氣液兩相反應(yīng)過程開展了對比實(shí)驗(yàn)研究，比較微氣泡與普通氣泡條件下鼓泡塔內(nèi)兩相反應(yīng)效果的差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括鼓泡塔裝置、微氣泡發(fā)生情況檢測系統(tǒng)及氣泡發(fā)生系統(tǒng)。鼓泡塔裝置由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為280 mm、高為1 800 mm、壁厚為8 mm。分別在鼓泡塔高徑比為4，5，6的出口處安裝電導(dǎo)電極對鼓泡塔中液相停留時(shí)間分布進(jìn)行測定。底部篩板的開孔孔徑為2 mm，開孔率為0.5%。微氣泡發(fā)生情況檢測系統(tǒng)由微粒子計(jì)數(shù)器、液體流量計(jì)、蠕動泵和計(jì)算機(jī)組成。氣泡發(fā)生系統(tǒng)由離心泵、液體流量計(jì)、氣體流量計(jì)、閥門和微氣泡發(fā)生器組成。當(dāng)鼓泡塔采用普通氣泡進(jìn)氣時(shí)，氣流經(jīng)過篩板形成普通氣泡進(jìn)入塔內(nèi)；當(dāng)鼓泡塔采用微氣泡進(jìn)氣時(shí)，使用盲板代替底部篩板，啟動微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生微氣泡。

1.2 試劑及儀器

高純氮?dú)猓兌龋é眨└哂?9.99%）、高純二氧化碳（純度（φ）高于99.999%）：南京特種氣體廠有限公司；NaOH，KCl：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

微氣泡發(fā)生器：BL12AA-12-D4型，日本NITTA公司；微粒子計(jì)數(shù)器：E20P型，美國Particle Measuring Systems公司；離心水泵：MCZ-600A型，臺灣木川工業(yè)股份有限公司；液體流量計(jì)Ⅰ：LZM-25型，美國SHLLJ公司；液體流量計(jì)Ⅱ：LZM-1503型，美國SHLLJ公司；電導(dǎo)率儀：CM-509型，上海昕瑞儀器儀表有限公司；壓力表：YE-100型，上海自動化儀表股份有限公司；電子分析天平：BSA224S型，德國賽多利斯公司；多參數(shù)數(shù)字化水質(zhì)分析儀：HQ30D型，美國HACH公司。

1.3 檢測與分析方法

停留時(shí)間分布可以反映反應(yīng)物在反應(yīng)器中停留時(shí)間的長短，停留時(shí)間越長，則虛擬級數(shù)越小，說明物料在反應(yīng)器中的返混程度越高［14］。實(shí)驗(yàn)中利用電導(dǎo)率儀對鼓泡塔中的液相停留時(shí)間分布進(jìn)行測量。當(dāng)鼓泡塔中的液面穩(wěn)定后，在示蹤劑注射口瞬時(shí)注入10 mL飽和KCl溶液作為示蹤劑，同時(shí)開始測量出口處的電導(dǎo)率值，測量時(shí)間間隔為1 s。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

通過正交實(shí)驗(yàn)確定各因素對鼓泡塔返混虛擬級數(shù)的影響程度，并對最大影響因素開展單因素實(shí)驗(yàn)，研究該影響因素對鼓泡塔返混虛擬級數(shù)的影響趨勢。在正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取實(shí)驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合，改變微氣泡鼓泡塔液相返混的最大影響因素，開展微氣泡與普通氣泡鼓泡塔返混虛擬級數(shù)對比實(shí)驗(yàn)，研究采用微氣泡進(jìn)氣方式對鼓泡塔內(nèi)返混的改善程度。

采用堿吸收二氧化碳法進(jìn)一步對比塔內(nèi)微氣泡與普通氣泡兩種進(jìn)氣方式下的反應(yīng)過程，研究鼓泡塔在不同進(jìn)氣方式下塔內(nèi)氣液兩相反應(yīng)效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 微氣泡鼓泡塔返混實(shí)驗(yàn)

2.1.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用L9（34）正交表，設(shè)計(jì)混合正交實(shí)驗(yàn)，研究進(jìn)水壓力（A）、進(jìn)水流量（B）、進(jìn)氣流量（C）以及高徑比（D）對鼓泡塔返混虛擬級數(shù)（N）的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，極差R可反映虛擬級數(shù)隨因素水平變化而變化的最大限度。由表1可知，各因素對微氣泡鼓泡塔虛擬級數(shù)的影響關(guān)系由大到小為：進(jìn)氣流量＞進(jìn)水流量＞進(jìn)水壓力＞高徑比；根據(jù)各因素水平極差所對應(yīng)的液相返混虛擬級數(shù)，得到各因素的最佳水平為A3B2C1D3，即微氣泡鼓泡塔返混實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合為進(jìn)水流量5 L/min、進(jìn)水壓力0.25 MPa、進(jìn)氣流量50 mL/min、高徑比6。

表1 鼓泡塔返混正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of orthogonal experiment on bubble column backmixing

2.1.2 進(jìn)氣流量對微氣泡鼓泡塔液相返混虛擬級數(shù)的影響

由正交實(shí)驗(yàn)得到，鼓泡塔返混虛擬級數(shù)的最大影響因素是進(jìn)氣流量。在單因素實(shí)驗(yàn)研究中，為了明確進(jìn)氣流量對鼓泡塔返混的影響趨勢，在實(shí)驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合條件下，針對進(jìn)氣流量對鼓泡塔液相 返混的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 進(jìn)氣流量對鼓泡塔返混的影響Fig.1 Effects of gas inlet flow rate on bubble column backmixing.

圖1為進(jìn)氣流量對微氣泡鼓泡塔液相返混虛擬級數(shù)的影響。由圖1可知，在進(jìn)氣流 量介于50～90 mL/min之間時(shí)，微氣泡鼓泡塔液相返混程度加劇趨勢非常明顯。而在進(jìn)氣流量介于90～150 mL/min之間時(shí)，微氣泡鼓泡塔液相返混程度加劇趨勢有所減緩。推測這是由于在實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)進(jìn)氣流量大于110 mL/min時(shí)，微氣泡發(fā)生器會產(chǎn)生少量的普通氣泡進(jìn)入鼓泡塔中，對塔中液相產(chǎn)生較大擾動。

2.1.3 微氣泡與普通氣泡進(jìn)氣方式對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過改變進(jìn)氣流量考察采用微氣泡與普通氣泡兩種進(jìn)氣方式對鼓泡塔返混的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，采用微氣泡與普通氣泡進(jìn)氣方式的鼓泡塔虛擬級數(shù)均隨著進(jìn)氣流量增加而減小，說明鼓泡塔的液相返混隨著進(jìn)氣流量的增加而加劇。普通氣泡進(jìn)氣方式的返混隨著進(jìn)氣流量的增加而加劇，這與Ohki等［15］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由圖2還可知，在相同進(jìn)氣流量條件下，采用微氣泡進(jìn)氣方式的鼓泡塔液相返混有明顯地改善，這可能是由于微氣泡與普通氣泡相比，具有不易聚并和上升速度緩慢的特性［16］，因此對液相的擾動較小。

圖2 不同進(jìn)氣方式對鼓泡塔返混的影響Fig.2 Effects of differen t gas inletting methods on backmixing in bubble column.

2.2 不同進(jìn)氣方式下鼓泡塔內(nèi)兩相反應(yīng)對比實(shí)驗(yàn)

由于二氧化碳在水中的溶解度高于氮?dú)猓緦?shí)驗(yàn)通過微氣泡發(fā)生情況檢測系統(tǒng)在線檢測以二氧化碳作為氣源的鼓泡塔中的微氣泡參數(shù)。定期在上部取樣口采樣，檢測試樣pH并換算成OH-濃度（），繪制隨時(shí)間變化的曲線。圖3為鼓泡塔出口處的隨時(shí)間變化的曲線。由圖3可知，微氣泡與普通氣泡進(jìn)氣方式下鼓泡塔出口處均隨時(shí)間的增加而降低，且下降速率均隨進(jìn)水流量、進(jìn)氣流量和進(jìn)水壓力的增大而增大。當(dāng)鼓泡塔采用微氣泡進(jìn)氣時(shí)，可分成保持不變、迅速下降、趨于定值3個(gè)階段：第1階段，保持不變，是因?yàn)槲馀蒹w積較小，且 上升緩慢，對鼓泡塔中液相的擾動較小；第2階段，迅速下降到0.000 1 mol/L，這是由于二氧化碳溶 于水后電離出大量的H+與OH-迅速反應(yīng)，使得迅速下降；第3階段，趨于定值，這是由于鼓泡塔中存在碳酸鹽緩沖系統(tǒng)，與部分二氧化碳反應(yīng)生成，且物理吸收量有限，趨于定值。當(dāng)鼓泡塔采用普通氣泡進(jìn)氣時(shí)，出口處呈現(xiàn)保持不變、迅速下降、緩慢降低至趨于定值3個(gè)階段：第1階段，保持不變，是由于初始階段較大，且普通氣泡上升較快，使得二氧化碳與OH-反應(yīng)較少，對鼓泡塔上層幾乎無影響，其余兩階段與采用微氣泡情況相同。由圖3還可知，在相同進(jìn)水流量、進(jìn)氣流量和進(jìn)水壓力的條件下，采用微氣泡進(jìn)氣方式的鼓泡塔出口處下降速率明顯大于采用普通氣泡進(jìn)氣方式的出口處下降速率。當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8 min時(shí)，A1，B1，C1，A2，B2，C2的c-OH分別降低為初始值的25.87%，38.34%，62.85%，74.30%，83.08%，96.37%，c-OH下降速率由大到小順序?yàn)?C2 ＞ B2 ＞ A2 ＞ C1 ＞ B1 ＞ A1，即采用微氣泡進(jìn)氣方式的鼓泡塔內(nèi)c-OH下降速率明顯大于采用普通氣泡。這是由于微氣泡具有傳質(zhì)效率高的特性［16］，與普通氣泡相比可以加速鼓泡塔中氣液化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，且采用微氣泡能夠改善鼓泡塔內(nèi)的返混程度。

圖3 隨時(shí)間變化的曲線Fig.3 changes over time.

3 結(jié)論

1）各因素對微氣泡鼓泡塔虛擬級數(shù)的影響由大到小為：進(jìn)氣流量 ＞ 進(jìn)水流量 ＞ 進(jìn)水壓力 ＞ 高徑比；根據(jù)各因素水平極差所對應(yīng)的液相返混虛擬級數(shù)，得到微氣泡鼓泡塔返混實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合為進(jìn)水流量5 L/min、進(jìn)水壓力0.25 MPa、進(jìn)氣流量50 mL/min、高徑比6。

2）在相同進(jìn)氣流量條件下，采用微氣泡進(jìn)氣方式的鼓泡塔液相返混有明顯地改善，這可能是由于微氣泡與普通氣泡相比，具有不易聚并和上升速度緩慢的特性，因此對液相的擾動較小。

3）采用微氣泡進(jìn)氣方式的鼓泡塔內(nèi)下降速率明顯大于采用普通氣泡進(jìn)氣方式。這是由于微氣泡具有傳質(zhì)效率高的特性，與普通氣泡相比可以加速鼓泡塔中氣液化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，且采用微氣泡能夠改善鼓泡塔內(nèi)的返混程度。