微气泡技术在鼓泡塔中的实验研究

2018-09-12鲁志强朱跃钊

石油化工 2018年7期

鲁志强，杨丽，张晨，杨烨，朱跃钊

（1.南京工业大学能源科学与工程学院，江苏南京 211800；2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211800）

鼓泡塔拥有较大的相际接触面积和持液量，传热、传质效率也高于一般两相反应器，且具有结构简单、操作稳定等优点，目前普遍应用于石油化工、生物化工以及环境化工等领域［1-2］。但是，在大多数的工业应用中，由于存在塔内液相返混现象而影响两相反应过程，会降低反应转化率和产物选择性［3］。鼓泡塔中液相返混程度与气泡直径、表观气速、高径比、塔径、操作条件等多种因素影响有关［4-5］。微气泡通常是指直径介于0.1～50 μm之间的微小气泡，在液体中一经产生后，与普通气泡相比，由于所受浮力较小，因而在液相中上升比较缓慢，界面与液相接触时间也较长；而普通气泡由于直径较大，在溶液中所受浮力远大于重力，会迅速上升到液面并破裂。微气泡具有液相存在时间长、传质效率高和界面ζ电位较高等特殊性质［6-9］。通常影响微气泡发生装置性能的主要影响因素有进水压力、进水流量和进气流量等［10］。目前降低鼓泡塔中液相返混主要有在鼓泡塔中间安装多孔板和在鼓泡塔中心安装阻尼内构件两种方法，用以获得均匀的速度分布［11-13］，虽能一定程度地改善返混，但作用不大。

本工作从造成鼓泡塔液相返混的根本原因出发，通过减小气泡体积的方式考察微气泡对鼓泡塔液相返混的影响。将引射流式微气泡发生装置与传统鼓泡塔相结合，设计搭建了一套微气泡鼓泡塔实验装置，研究该新型鼓泡塔中液相返混程度。实验中选取进气流量、进水流量、进水压力和高径比等影响因素，针对微气泡与普通气泡条件下鼓泡塔内液相返混程度，分别开展了正交实验和对比实验，分析了采用微气泡鼓泡形式下的鼓泡塔对液相返混的改善程度。为了研究微气泡对鼓泡塔内两相反应过程的影响，进一步针对塔内气液两相反应过程开展了对比实验研究，比较微气泡与普通气泡条件下鼓泡塔内两相反应效果的差异。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验系统包括鼓泡塔装置、微气泡发生情况检测系统及气泡发生系统。鼓泡塔装置由有机玻璃制成，内径为280 mm、高为1 800 mm、壁厚为8 mm。分别在鼓泡塔高径比为4，5，6的出口处安装电导电极对鼓泡塔中液相停留时间分布进行测定。底部筛板的开孔孔径为2 mm，开孔率为0.5%。微气泡发生情况检测系统由微粒子计数器、液体流量计、蠕动泵和计算机组成。气泡发生系统由离心泵、液体流量计、气体流量计、阀门和微气泡发生器组成。当鼓泡塔采用普通气泡进气时，气流经过筛板形成普通气泡进入塔内；当鼓泡塔采用微气泡进气时，使用盲板代替底部筛板，启动微气泡发生器产生微气泡。

1.2 试剂及仪器

高纯氮气（纯度（φ）高于99.99%）、高纯二氧化碳（纯度（φ）高于99.999%）：南京特种气体厂有限公司；NaOH，KCl：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

微气泡发生器：BL12AA-12-D4型，日本NITTA公司；微粒子计数器：E20P型，美国Particle Measuring Systems公司；离心水泵：MCZ-600A型，台湾木川工业股份有限公司；液体流量计Ⅰ：LZM-25型，美国SHLLJ公司；液体流量计Ⅱ：LZM-1503型，美国SHLLJ公司；电导率仪：CM-509型，上海昕瑞仪器仪表有限公司；压力表：YE-100型，上海自动化仪表股份有限公司；电子分析天平：BSA224S型，德国赛多利斯公司；多参数数字化水质分析仪：HQ30D型，美国HACH公司。

1.3 检测与分析方法

停留时间分布可以反映反应物在反应器中停留时间的长短，停留时间越长，则虚拟级数越小，说明物料在反应器中的返混程度越高［14］。实验中利用电导率仪对鼓泡塔中的液相停留时间分布进行测量。当鼓泡塔中的液面稳定后，在示踪剂注射口瞬时注入10 mL饱和KCl溶液作为示踪剂，同时开始测量出口处的电导率值，测量时间间隔为1 s。

1.4 实验方法

通过正交实验确定各因素对鼓泡塔返混虚拟级数的影响程度，并对最大影响因素开展单因素实验，研究该影响因素对鼓泡塔返混虚拟级数的影响趋势。在正交实验结果的基础上，选取实验因素的最优水平组合，改变微气泡鼓泡塔液相返混的最大影响因素，开展微气泡与普通气泡鼓泡塔返混虚拟级数对比实验，研究采用微气泡进气方式对鼓泡塔内返混的改善程度。

采用碱吸收二氧化碳法进一步对比塔内微气泡与普通气泡两种进气方式下的反应过程，研究鼓泡塔在不同进气方式下塔内气液两相反应效果。

2 结果与讨论

2.1 微气泡鼓泡塔返混实验

2.1.1 正交实验结果

选用L9（34）正交表，设计混合正交实验，研究进水压力（A）、进水流量（B）、进气流量（C）以及高径比（D）对鼓泡塔返混虚拟级数（N）的影响，结果见表1。由表1可知，极差R可反映虚拟级数随因素水平变化而变化的最大限度。由表1可知，各因素对微气泡鼓泡塔虚拟级数的影响关系由大到小为：进气流量＞进水流量＞进水压力＞高径比；根据各因素水平极差所对应的液相返混虚拟级数，得到各因素的最佳水平为A3B2C1D3，即微气泡鼓泡塔返混实验最优组合为进水流量5 L/min、进水压力0.25 MPa、进气流量50 mL/min、高径比6。

表1 鼓泡塔返混正交实验结果Table 1 Results of orthogonal experiment on bubble column backmixing

2.1.2 进气流量对微气泡鼓泡塔液相返混虚拟级数的影响

由正交实验得到，鼓泡塔返混虚拟级数的最大影响因素是进气流量。在单因素实验研究中，为了明确进气流量对鼓泡塔返混的影响趋势，在实验因素的最优水平组合条件下，针对进气流量对鼓泡塔液相返混的影响进行实验研究。

图1 进气流量对鼓泡塔返混的影响Fig.1 Effects of gas inlet flow rate on bubble column backmixing.

图1为进气流量对微气泡鼓泡塔液相返混虚拟级数的影响。由图1可知，在进气流量介于50～90 mL/min之间时，微气泡鼓泡塔液相返混程度加剧趋势非常明显。而在进气流量介于90～150 mL/min之间时，微气泡鼓泡塔液相返混程度加剧趋势有所减缓。推测这是由于在实验过程中当进气流量大于110 mL/min时，微气泡发生器会产生少量的普通气泡进入鼓泡塔中，对塔中液相产生较大扰动。

2.1.3 微气泡与普通气泡进气方式对比实验结果

通过改变进气流量考察采用微气泡与普通气泡两种进气方式对鼓泡塔返混的影响，实验结果见图2。由图2可知，采用微气泡与普通气泡进气方式的鼓泡塔虚拟级数均随着进气流量增加而减小，说明鼓泡塔的液相返混随着进气流量的增加而加剧。普通气泡进气方式的返混随着进气流量的增加而加剧，这与Ohki等［15］的实验结果一致。由图2还可知，在相同进气流量条件下，采用微气泡进气方式的鼓泡塔液相返混有明显地改善，这可能是由于微气泡与普通气泡相比，具有不易聚并和上升速度缓慢的特性［16］，因此对液相的扰动较小。

图2 不同进气方式对鼓泡塔返混的影响Fig.2 Effects of differen t gas inletting methods on backmixing in bubble column.

2.2 不同进气方式下鼓泡塔内两相反应对比实验

由于二氧化碳在水中的溶解度高于氮气，本实验通过微气泡发生情况检测系统在线检测以二氧化碳作为气源的鼓泡塔中的微气泡参数。定期在上部取样口采样，检测试样pH并换算成OH-浓度（），绘制随时间变化的曲线。图3为鼓泡塔出口处的随时间变化的曲线。由图3可知，微气泡与普通气泡进气方式下鼓泡塔出口处均随时间的增加而降低，且下降速率均随进水流量、进气流量和进水压力的增大而增大。当鼓泡塔采用微气泡进气时，可分成保持不变、迅速下降、趋于定值3个阶段：第1阶段，保持不变，是因为微气泡体积较小，且上升缓慢，对鼓泡塔中液相的扰动较小；第2阶段，迅速下降到0.000 1 mol/L，这是由于二氧化碳溶于水后电离出大量的H+与OH-迅速反应，使得迅速下降；第3阶段，趋于定值，这是由于鼓泡塔中存在碳酸盐缓冲系统，与部分二氧化碳反应生成，且物理吸收量有限，趋于定值。当鼓泡塔采用普通气泡进气时，出口处呈现保持不变、迅速下降、缓慢降低至趋于定值3个阶段：第1阶段，保持不变，是由于初始阶段较大，且普通气泡上升较快，使得二氧化碳与OH-反应较少，对鼓泡塔上层几乎无影响，其余两阶段与采用微气泡情况相同。由图3还可知，在相同进水流量、进气流量和进水压力的条件下，采用微气泡进气方式的鼓泡塔出口处下降速率明显大于采用普通气泡进气方式的出口处下降速率。当实验时间为8 min时，A1，B1，C1，A2，B2，C2的c-OH分别降低为初始值的25.87%，38.34%，62.85%，74.30%，83.08%，96.37%，c-OH下降速率由大到小顺序为 C2 ＞ B2 ＞ A2 ＞ C1 ＞ B1 ＞ A1，即采用微气泡进气方式的鼓泡塔内c-OH下降速率明显大于采用普通气泡。这是由于微气泡具有传质效率高的特性［16］，与普通气泡相比可以加速鼓泡塔中气液化学反应的进程，且采用微气泡能够改善鼓泡塔内的返混程度。