微氣泡技術在鼓泡塔中的實驗研究

魯志強，楊 麗，張 晨，楊 燁，朱躍釗

（1.南京工業大學 能源科學與工程學院，江蘇 南京 211800；2.南京工業大學 機械與動力工程學院，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、傳質效率也 高于一般兩相反應器，且具有結構簡單、操作穩定等優點，目前普遍應用于石油化工、生物化工以及環境化工等領域［1-2］。但是，在大多數的工業應用中，由于存在塔內液相返混現 象而影響兩相反應過程，會降低反應轉化率和產物選擇性［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［4-5］。微氣泡通常是指直徑介于0.1～50 μm之間的微小氣泡，在液體中一經產生后，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，界面與液相接觸時間也較長；而普通氣泡由于直徑較大，在溶液中所受浮力遠大于重力，會迅速上升到液面并破裂。微氣泡具有液相存在時間長、傳質效率高和界面ζ電位較高等特殊性質［6-9］。通常影響微氣泡發生裝置性能的主要影響因素有進水壓力、進水流量和進氣流量等［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構件兩種方法，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，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生裝置與傳統鼓泡塔相結合，設計搭建了一套微氣泡鼓泡塔實驗裝 置，研究該新型鼓泡塔中液相返混程度。實驗中選取進氣流量、進水流量、進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液相返混程度，分別開展了正交實驗和對比實驗，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兩相反應過程的影響，進一步針對塔內氣液兩相反應過程開展了對比實驗研究，比較微氣泡與普通氣泡條件下鼓泡塔內兩相反應效果的差異。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗系統包括鼓泡塔裝置、微氣泡發生情況檢測系統及氣泡發生系統。鼓泡塔裝置由有機玻璃制成，內徑為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的出口處安裝電導電極對鼓泡塔中液相停留時間分布進行測定。底部篩板的開孔孔徑為2 mm，開孔率為0.5%。微氣泡發生情況檢測系統由微粒子計數器、液體流量計、蠕動泵和計算機組成。氣泡發生系統由離心泵、液體流量計、氣體流量計、閥門和微氣泡發生器組成。當鼓泡塔采用普通氣泡進氣時，氣流經過篩板形成普通氣泡進入塔內；當鼓泡塔采用微氣泡進氣時，使用盲板代替底部篩板，啟動微氣泡發生器產生微氣泡。

1.2 試劑及儀器

高純氮氣（純度（φ）高于99.99%）、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，國藥集團化學試劑有限公司。

微氣泡發生器：BL12AA-12-D4型，日本NITTA公司；微粒子計數器：E20P型，美國Particle Measuring Systems公司；離心水泵：MCZ-600A型，臺灣木川工業股份有限公司；液體流量計Ⅰ：LZM-25型，美國SHLLJ公司；液體流量計Ⅱ：LZM-1503型，美國SHLLJ公司；電導率儀：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；多參數數字化水質分析儀：HQ30D型，美國HACH公司。

1.3 檢測與分析方法

停留時間分布可以反映反應物在反應器中停留時間的長短，停留時間越長，則虛擬級數越小，說明物料在反應器中的返混程度越高［14］。實驗中利用電導率儀對鼓泡塔中的液相停留時間分布進行測量。當鼓泡塔中的液面穩定后，在示蹤劑注射口瞬時注入10 mL飽和KCl溶液作為示蹤劑，同時開始測量出口處的電導率值，測量時間間隔為1 s。

1.4 實驗方法

通過正交實驗確定各因素對鼓泡塔返混虛擬級數的影響程度，并對最大影響因素開展單因素實驗，研究該影響因素對鼓泡塔返混虛擬級數的影響趨勢。在正交實驗結果的基礎上，選取實驗因素的最優水平組合，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對比實驗，研究采用微氣泡進氣方式對鼓泡塔內返混的改善程度。

采用堿吸收二氧化碳法進一步對比塔內微氣泡與普通氣泡兩種進氣方式下的反應過程，研究鼓泡塔在不同進氣方式下塔內氣液兩相反應效果。

2 結果與討論

2.1 微氣泡鼓泡塔返混實驗

2.1.1 正交實驗結果

選用L9（34）正交表，設計混合正交實驗，研究進水壓力（A）、進水流量（B）、進氣流量（C）以及高徑比（D）對鼓泡塔返混虛擬級數（N）的影響，結果見表1。由表1可知，極差R可反映虛擬級數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的影響關系由大到小為：進氣流量＞進水流量＞進水壓力＞高徑比；根據各因素水平極差所對應的液相返混虛擬級數，得到各因素的最佳水平為A3B2C1D3，即微氣泡鼓泡塔返混實驗最優組合為進水流量5 L/min、進水壓力0.25 MPa、進氣流量50 mL/min、高徑比6。

表1 鼓泡塔返混正交實驗結果Table 1 Results of orthogonal experiment on bubble column backmixing

2.1.2 進氣流量對微氣泡鼓泡塔液相返混虛擬級數的影響

由正交實驗得到，鼓泡塔返混虛擬級數的最大影響因素是進氣流量。在單因素實驗研究中，為了明確進氣流量對鼓泡塔返混的影響趨勢，在實驗因素的最優水平組合條件下，針對進氣流量對鼓泡塔液相 返混的影響進行實驗研究。

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

2.1.3 微氣泡與普通氣泡進氣方式對比實驗結果

通過改變進氣流量考察采用微氣泡與普通氣泡兩種進氣方式對鼓泡塔返混的影響，實驗結果見圖2。由圖2可知，采用微氣泡與普通氣泡進氣方式的鼓泡塔虛擬級數均隨著進氣流量增加而減小，說明鼓泡塔的液相返混隨著進氣流量的增加而加劇。普通氣泡進氣方式的返混隨著進氣流量的增加而加劇，這與Ohki等［15］的實驗結果一致。由圖2還可知，在相同進氣流量條件下，采用微氣泡進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 不同進氣方式下鼓泡塔內兩相反應對比實驗

由于二氧化碳在水中的溶解度高于氮氣，本實驗通過微氣泡發生情況檢測系統在線檢測以二氧化碳作為氣源的鼓泡塔中的微氣泡參數。定期在上部取樣口采樣，檢測試樣pH并換算成OH-濃度（），繪制隨時間變化的曲線。圖3為鼓泡塔出口處的隨時間變化的曲線。由圖3可知，微氣泡與普通氣泡進氣方式下鼓泡塔出口處均隨時間的增加而降低，且下降速率均隨進水流量、進氣流量和進水壓力的增大而增大。當鼓泡塔采用微氣泡進氣時，可分成保持不變、迅速下降、趨于定值3個階段：第1階段，保持不變，是因為微氣泡體積較小，且 上升緩慢，對鼓泡塔中液相的擾動較?。坏?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，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，與部分二氧化碳反應生成，且物理吸收量有限，趨于定值。當鼓泡塔采用普通氣泡進氣時，出口處呈現保持不變、迅速下降、緩慢降低至趨于定值3個階段：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，在相同進水流量、進氣流量和進水壓力的條件下，采用微氣泡進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氣方式的出口處下降速率。當實驗時間為8 min時，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為 C2 ＞ B2 ＞ A2 ＞ C1 ＞ B1 ＞ A1，即采用微氣泡進氣方式的鼓泡塔內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反應的進程，且采用微氣泡能夠改善鼓泡塔內的返混程度。

圖3 隨時間變化的曲線Fig.3 changes over time.

3 結論

1）各因素對微氣泡鼓泡塔虛擬級數的影響由大到小為：進氣流量 ＞ 進水流量 ＞ 進水壓力 ＞ 高徑比；根據各因素水平極差所對應的液相返混虛擬級數，得到微氣泡鼓泡塔返混實驗最優組合為進水流量5 L/min、進水壓力0.25 MPa、進氣流量50 mL/min、高徑比6。

2）在相同進氣流量條件下，采用微氣泡進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）采用微氣泡進氣方式的鼓泡塔內下降速率明顯大于采用普通氣泡進氣方式。這是由于微氣泡具有傳質效率高的特性，與普通氣泡相比可以加速鼓泡塔中氣液化學反應的進程，且采用微氣泡能夠改善鼓泡塔內的返混程度。