Advanced analysis of liquid dispersion and gas-liquid mass transfer in a bubble column with dense vertical internals

氣液兩相傳質和液體彌散特性的研究

來源：Chemical Engineering Research and Design 134 (2018) 575–588

 

論文總結

研究了在批處理氣泡柱反應器（BCR）中，密集垂直管束對液體分散和氣體-液體傳質的影響。以下從摘要、研究目的、研究思路、測量數據及意義、結論等方面進行總結，并詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的意義。

一、論文摘要

研究探討了在直徑100 mm、清液高度1100 mm的氣泡柱中，密集垂直管束（包括三角形和方形排列、管徑8 mm和13 mm、平底和U型管底部設計）對液體分散和氣體-液體傳質的影響。通過導電示蹤劑實驗（使用線網格傳感器WMS）和快速響應氧探針（如Unisense OX 100）測量液體分散系數和傳質系數。結果表明，管間距和排列是影響液體分散的關鍵參數，U型管底部設計能增強液體循環和分散；內部構件因湍流阻尼作用降低傳質系數（kLa），但優化設計（如小管徑三角形排列）能平衡性能。2D分散模型能可靠預測液體分散行為。

二、研究目的

 

定量評估管束設計對傳質的影響：研究不同管排列（三角形/方形）、管徑（8 mm/13 mm）和底部設計（平底/U型管）如何影響氣體-液體傳質系數（kLa）和液體分散。

驗證2D分散模型：評估二維分散模型（2D-DM）在預測含內部構件氣泡柱中液體分散的可靠性，與傳統軸向分散模型（ADM）對比。

優化工業反應器設計：為高放熱反應（如Fischer-Tropsch合成）提供設計依據，確保等溫條件和高效傳質。

應用先進測量技術：利用線網格傳感器（WMS）和快速響應氧探針（如Unisense）提升數據精度和實時性。

 

填補文獻空白：現有研究多關注空柱，本文系統分析內部構件的影響，為復雜系統提供新見解。

 

背景基于氣泡柱反應器在化工過程中的優勢（如高效傳質、無運動部件），但內部構件（如熱交換管束）會改變流體動力學和傳質特性，需深入量化。

三、研究思路

研究采用實驗測量與模型分析結合的方法：

 

實驗設置：如Fig. 1所示，使用直徑100 mm、高2000 mm的氣泡柱，清液高度固定為1100 mm。氣體分布器為多孔板（55孔，直徑0.5 mm）。管束覆蓋約25%橫截面積，避免壁區干擾。

 

管束配置：測試四種管束：方形8 mm（s8）、方形13 mm（s13）、三角形8 mm（t8）、三角形13 mm（t13），以及U型管底部設計（su8）和空柱對照。

測量技術：

 

液體分散：通過WMS（最多90個測點）記錄Na?SO?示蹤劑濃度時空分布，提取軸向（Dz,l）和徑向（Dr,l）分散系數（如Fig. 5所示）。

氣體-液體傳質：使用Unisense OX 100氧探針實時監測溶解氧濃度，計算kLa和kL（如Fig. 4所示）。

 

氣泡特性：結合超快X射線斷層掃描數據，計算Sauter平均直徑（ds）和界面面積（a）。

 

數據分析：應用2D分散模型（Eq. 1-3）和軸向分散模型（ADM）擬合數據，對比模型性能（如Fig. 8-10）。

 

 

 

 

四、測量數據、來源及研究意義

研究測量了多維度數據，其意義及來源如下（數據均標注自原文圖/表）：

 

液體分散系數（數據來自Fig. 5-7）：

 

 

 

數據：軸向分散系數（Dz,l）隨氣速增加先指數上升后下降（如空柱在ug=0.08 m/s時Dz,l≈0.02 m2/s）；徑向分散系數（Dr,l）比軸向低約200倍（如t8配置在ug=0.04 m/s時Dr,l≈10?? m2/s）。

 

研究意義：內部構件抑制徑向混合，導致子通道內液體滯留；三角形排列和小管徑（如t8）增強軸向分散 due to 高流阻和壁區氣泡上升。數據驗證2D模型必要性，避免ADM的過度簡化。

 

氣體-液體傳質系數（數據來自Fig. 8-10）：

 

數據：空柱kLa最高（如ug=0.05 m/s時kLa≈0.006 s?1），內部構件降低kLa（如s8配置kLa≈0.004 s?1）；kL值從空柱的0.6×10?3 m/s降至s8的0.25×10?3 m/s（ug=0.05 m/s）。

 

研究意義：內部構件阻尼湍流，降低kL；但小管徑配置（如t8）因高界面面積部分補償kLa損失。ADM比CSTR模型更準確（Fig. 10），凸顯背混影響。

 

氣泡特性與界面面積（數據來自Fig. 11）：

 

數據：Sauter直徑（ds）隨氣速增加而減小（如空柱ds從4 mm降至2 mm）；界面面積（a）在小管徑配置最高（如s8的a≈200 m2/m3 at ug=0.05 m/s）。

 

研究意義：管束促進氣泡破碎，增加界面面積，但湍流減弱抵消傳質收益；U型管設計增強氣泡循環，優化傳質。

 

模型對比（數據來自Fig. 12-13和Table 2-3）：

 

 

 

 

數據：現有關聯式（如Ohki-Inoue對Dz,l）對空柱預測良好，但低估內部構件影響；Letzel關聯式（kLa=0.5εg）與數據吻合較好。

 

研究意義：強調需開發含幾何參數的新關聯式；2D模型捕獲徑向梯度，為尺度放大提供基礎。

 

五、研究結論

 

管束設計關鍵影響：管間距和排列（如三角形優于方形）主導液體分散和傳質；小管徑（8 mm）和U型管底部設計增強混合和傳質 due to 高流阻和壁區循環。

混合機制變化：內部構件抑制徑向分散（Dr,l?Dz,l），導致子通道內局部梯度，需2D模型準確描述。

傳質性能權衡：內部構件降低kLa（湍流阻尼），但小管徑配置通過高界面面積部分補償；U型管設計（su8）實現最佳平衡。

模型適用性：ADM優于CSTR模型，但現有關聯式需擴展以涵蓋內部構件幾何參數。

 

工業應用價值：為高放熱反應器設計提供優化策略，如選擇三角形排列和小管徑以維持傳質效率。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

丹麥Unisense氧微傳感器（型號OX 100）在本研究中用于實時監測溶解氧濃度，以計算氣體-液體傳質系數（kLa和kL）（實驗部分和Fig. 4）。其研究意義如下：

 

高精度實時監測：

 

技術描述：Unisense電極基于Clark原理，提供高靈敏度（檢測限低）、快速響應（時間常數1.5 s?1）的溶解氧檢測，適用于動態過程。

實驗應用：在氮氣吹掃后切換至空氣，記錄氧濃度隨時間變化曲線（如Fig. 8），通過去卷積處理消除傳感器延遲，提取瞬時kLa值。

 

研究意義：直接驗證傳質動力學，避免離線采樣誤差；高時間分辨率捕捉瞬態行為，提升數據可靠性。

 

傳質系數計算：

 

數據關聯：結合ADM模型（Eq. 6）擬合氧濃度曲線，計算kLa和kL（如Fig. 9）；結果顯示內部構件降低kL（湍流阻尼），但界面面積補償部分損失。

 

研究意義：提供定量證據表明內部構件對傳質的雙重影響（阻尼湍流但增強界面）；為優化設計提供關鍵參數。

 

模型驗證與比較：

 

對比CSTR與ADM：Unisense數據驗證ADM更準確（如Fig. 10），因CSTR模型高估初始濃度梯度。

 

研究意義：突出背混效應在傳質分析中的重要性；Unisense的精確測量支持復雜模型的應用，推動理論發展。

 

長期穩定性與重復性：

 

多次實驗驗證：每個配置重復三次測量，Unisense數據一致性高（誤差小）。

 

研究意義：確保結果可重復性，為工業設計提供可靠數據庫；傳感器穩定性支持長期運行監測。

 

方法學優勢：

 

原位與非侵入性：實時監測不擾動流場，保持反應真實性；校準后直接輸出濃度，簡化數據處理。

 

研究意義：為氣泡柱研究設立新標準，尤其適合含內部構件的復雜系統；推動高性能傳感技術在化工過程中的應用。

 

總之，Unisense電極不僅是測量工具，更是驗證傳質機制和模型準確性的核心：其數據直接揭示了內部構件對湍流和傳質的微觀影響，為優化反應器設計提供了實證基礎。這強調了在多相流研究中集成高精度氣體傳感的重要性，尤其在評估工業可行性時不可或缺。