用电导探针测定气-液多层桨搅拌槽内气泡尺寸分布

第25卷第6期高校化学工程学报No.6Vol.252011年12月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesDec.2011文章编号：1003-9015(2011)06-0977-08用电导探针测定气-液多层桨搅拌槽内气泡尺寸分布朱姝1,包雨云1,陈雷1,高正明1,王东升2(1.北京化工大学化学工程学院，北京100029;2.吉林省石油化工设计研究院,吉林长春130021)摘要：在直径0.48m的椭圆底三层组合桨搅拌槽中，使用双电导探针测定常温24℃及热态81℃通气条件下，空气－去离子水体系的局部气泡尺寸分布，分别利用标定法及数学重构法进行数据处理，得出适宜方法为数值解析的重构法。采用以半椭圆管盘式涡轮(HEDT)为底桨，上两层分别为四叶轴流桨下压(WHD)及上提(WHU)操作的HEDT+2WHD及HEDT+2WHU组合桨，测定槽内沿径向和轴向的气泡尺寸分布。结果表明：采用HEDT+2WHU的气泡尺寸较HEDT+2WHD大，在底桨附近及上层桨以上区域气泡尺寸差异较大；平均气泡直径前者约为后者的1.13倍。热态时气泡尺寸分布规律与常温相近，但气泡尺寸显著增大：热态与常温相比，采用下压及上提组合桨时全槽气泡直径平均值分别增加29%及26%，结果与文献吻合良好。关键词：气泡尺寸分布；双电导探针；搅拌槽；组合桨中图分类号：TQ027.2；TQ027.32文献标识码：ABubbleSizeDistributionsMeasurementinaGas-LiquidMulti-ImpellerStirredTankbyUsingDual-ConductivityProbeZHUShu1,BAOYu-yun1,CHENLei1,GAOZheng-ming1,WANGDong-shen2(1.SchoolofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China2.JilinProvinceDesign&ResearchInstituteforPetrochemicalEngineering,Changchun130021,China)Abstract:Inamulti-impellerstirredtankwith0.48mdiameter,thelocalbubblesizedistributions(BSD)inthespargedair-watersystemweremeasuredat24℃and81℃byusingthedualelectricconductivityprobe.Theagitatorsincludingahollowbladedispersingturbinebelowandtwodown-pumpingorup-pumpinghydrofoilsabovewereidentifiedasHEDT+2WHDandHEDT+2WHU,respectively.Boththecalibrationmethodandreconstructionmodelwereusedtoconvertthemeasuredbubblechordlengthtothebubblesize.TheresultsshowthatthebubblesizesofusingHEDT+2WHUarelargerthanthoseofHEDT+2WHD,andthedifferenceisobviousintheregionsnearthebottomimpellerandabovethetopimpeller.TheaveragebubblesizeofusingHEDT+2WHUis1.13timesofthatofusingHEDT+2WHD.TheBSDmeasuredat81℃issimilarasthatmeasuredatroomtemperature24℃,buttheaverageSauterbubblesizemeasuredinhotsystembyusingHEDT+2WHUisabout29%greaterthanthatmeasuredincoldsystem;andwhenusingHEDT+2WHD,theaverageSauterbubblesizemeasuredinhotsystemisabout26%greaterthanthatmeasuredincoldsystem.Themeasuredbubblesizevaluesareingoodagreementwiththosepredictedbyusingthecorrelationpublishedinliterature.Keywords:bubblesizedistribution;dualelectricconductivity;stirredtank;multi-impeller;1前言多层桨气液搅拌反应器广泛应用于工业发酵、制药等领域。两相间的传质速率是气液反应的控制步收稿日期：2010-12-21；修订日期：2011-04-25。基金项目：国家自然科学基金资助项目(20821004,20990224)。作者简介：朱姝(1986-)，女，四川资中人，北京化工大学硕士生。通讯联系人：高正明，E-mail：[e-mail].978高校化学工程学报2011年12月图1实验装置图Fig.1Schemaoftheexperimentalsetup图2(a)径向流的六叶半椭圆管叶盘式涡轮Fig.2(a)6-Half-elliptical-bladediskturbine(HEDT)图2(b)四叶宽叶式翼型桨WHD及WHUFig.2(b)4-Wide-bladehydrofoilimpeller(WHD&WHU)骤，传质速率与相界面积、局部气含率及气泡尺寸等密切相关。搅拌槽内气泡尺寸的研究进展较大。测定气泡尺寸的方法主要有非接触式的照相法[1]、相位多普勒技术(PDA)[2]及接触式的毛细吸入探针[3]、电导探针[4,5]等。Tarmy等[6]研究表明气泡尺寸由反应器内的气泡聚并与破碎的动态平衡决定。而该平衡依赖于反应物系的物性、操作条件和局部流动行为。杨瑞等[7]研究了射流搅拌发酵罐中的气泡直径，指出液体的黏度、表面张力及气速是影响气泡直径的重要因素。Greaves等[8,9]用光电毛细管法测量搅拌槽内不同位置的气含率、气泡大小，并计算出相界面积。张志斌等[10]用光电毛细管法研究了Rushton涡轮搅拌槽中气泡大小，结果表明，气泡直径分布基本为正态分布，排出流区和循环区的气泡平均直径相差约50%。Barigou等[11,12]使用光电毛细管法测量了Rushton涡轮搅拌槽内不同位置的气泡大小以及该位置上的气泡直径分布。结果表明，在搅拌桨附近，随转速增大气泡d32变小，但气泡直径分布变宽。在槽内不同位置上，气泡直径分布明显偏离标准正态分布；高正明等[13]在单层桨搅拌槽内采用双电导探针法测量气泡尺寸，得到气泡大小的分布规律为上循环区最大，下循环区次之，叶轮区最小，但并未具体研究搅拌桨型及温度等对气泡大小的影响。郝志刚等[14]研究推荐高径比为1.8的搅拌槽内优化组合桨为HEDT+2WHU及HEDT+2WHD。针对这两种桨型，黄小华等[15]研究了固含率、通气量等对气含率的影响，包雨云等[16]对颗粒悬浮特性及气液分散进行研究。Bao等[17]测量了HEDT+2WHU桨的气含率及气泡尺寸分布，结果表明气泡尺寸在底桨及上层桨、液面三处出现较大值，热态较常温局部气含率减小而气泡尺寸增大。高娜等[18]对采用HEDT+2WHD桨的局部气含率研究表明：与上提组合桨相比，总体气含率相近，但局部气含率分布差别较大，下压操作较上提操作局部气含率更均匀。但至今对采用HEDT+2WHD的气泡尺寸分布的研究仍未进行。本文采用两种不同尺寸的双电导探针进行对比实验，验证测试技术的可靠性。并比较数据处理的优劣，得出最佳处理方法。依此研究上述三层组合桨在上提及下压操作时槽内的局部气泡尺寸分布及温度对其的影响。研究结果可为多层桨气液搅拌槽的优化设计及开发提供参考。2实验装置实验用搅拌槽为直径T＝0.48m椭圆底不锈钢槽，如图1所示。以半椭圆管盘式涡轮(HEDT)为底桨，上两层为四叶翼型轴流桨(WH)的组合桨，包括上提操作HEDT+2WHU及下压操作HEDT+2WHD，如图2所示。槽内均布四块标准挡板。液位高度H＝1.8T。搅拌桨直径均为D＝0.4T，相邻桨间距为0.48T，底桨距槽底0.4T。槽底安装有不锈钢环形直径为0.8D气体分布器，距槽底0.33T。在槽底均布四个电加热棒，外径约为34mm，伸入搅拌槽内高度约为0.25m。每个加热功率为3kW。采用去离子水为液相，压缩空气为气相，添加3~5mL的磷酸增大空气和去离子水导电性差别。用转子流量计计量空气流量，气量范围0~30m3⋅h−1，对应表观气速VS为0~4.68×10−2m⋅s−1；采用水银温度第25卷第6期朱姝等：用电导探针测定气-液多层桨搅拌槽内气泡尺寸分布979图4电导探针结构Fig.4Constructionoftheelectricconductivityprobe图3实验装置测量点分布图Fig.3Measurementpointsarrangement4HeatersMeasurementpointsSpargerMeasurementpoints70mmSensor2Sensor1计测量温度，实验温度为常温24℃及热态通气时的81℃；利用气液两相电导率不同的原理采用BVW-2多通道电导探针测定气泡弦长。如图3，电导探针安置在挡板与其相邻加热棒中间“+”处，距槽壁径向距离r分别为35及70mm，对应的r与槽半径R的比r/R分别为0.85及0.70，沿轴向以40mm为间距各分布测点17个。3双电导探针测试技术3.1双电导探针结构及测量原理采用双电导探针测量搅拌槽内气泡弦长，测量原理是采用按一定间距排列的一对电导电极(图4)测定局部电导率值变化，由于气液两相电导率的显著差异，电导探针能准确反映所处位置气泡的变化过程，并转化为相应的电信号，进而计算出气泡弦长分布。测量时当电导探针中两个电极先后刺穿气泡时，两电极尖端位置的电导值发生变化，经检波、放大、电平调整、转换等电路后形成如图5所示方波信号并由计算机采集记录。实验用电导探针采集数据的频率为10kHz，每个实验点共采集不少于1000个气泡数据。3.2电导探针尺寸的影响如图4所示，探针的两电极水平间距为0.2mm，两电极尖端部分纵向间距可不同。实验中采用纵向间距分别为0.38mm(记为探针a)及1.1mm(记为探针b)的两探针，在温度T＝24℃，气速VS＝2.34×10−2m⋅s−1，搅拌转速N＝6r⋅s−1相同实验条件下测定气泡沿轴向的分布情况，以验证探针纵向间距对气泡尺寸测定是否有影响，测定结果示于图6。图中两组气泡分布数据基本一致，采用探针a及b测得气泡的Sauter平均直径平均值分别为2.63mm及2.66mm，相对误差仅为1.1%。可认为在电导探针纵向间距由0.38mm变化至1.1mm范围内测量得气泡尺寸一致，与探针纵向间距无关，数据客观有效。τ2τliτ1图5电导探针信号Fig.5Processedsignalsfromtheprobe2.02.22.42.62.83.03.23.43.63.80.20.40.60.81.01.21.41.61.8MiddleimpellerBottomImpellerTopimpellerZ/Td32/mmFreesurfaceprobeaprobeb图6间距不同的两探针测定的气泡平均直径d32Fig.6BSDsmeasuredbytwoprobeswithdifferentintervals0123456789100481216