DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.042
基于电阻层析成像技术的气升式内循环鼓泡反应器流体力学研究
靳海波，连以诚，刘鑫，林金芝，杨索和，何广湘
(北京石油化工学院 化学工程学院，北京，102617)
摘要：采用电阻层析成像(ERT)技术，对高为1 024 mm、直径为165 mm，导流筒高为590 mm、直径为80 mm的气升式内循环反应器进行流体力学参数的测量。考察表观气速对上升区和下降区内等3个截面处气含率的影响以及反应器内流型的变化情况。研究结果表明：在上升区，气含率随表观气速的变化与普通鼓泡塔情况一样，而在下降区，一部分气泡由于气液湍动被带入下降区；随着表观气速的增加，液体的循环速度逐渐增大，更多的气泡被拖曳到下降区，下降区内气含率增加明显。通过对ERT图像时间序列的叠加，可以清晰得出在上升区低气速下气泡离散式上升，随着表观气速的增加，以气泡群的方式流动且气泡聚并明显，并出现气泡群的摆动；在下降区，随着液体循环速度增加，下降区气液层消失，气含率逐渐增大。
关键词：气升式内循环反应器；电阻层析成像；气含率；时间序列流动结构
中图分类号：TQ021 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)11-3935-05
Hydrodynamic parameters in an airlift inner-loop column using electrical resistance tomography
JIN Haibo, LIAN Yicheng, LIU Xin, LIN Jinzhi, YANG Suohe, HE Guangxiang
(Department of Chemical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China)
Abstract: The hydrodynamic parameters are studied in an airlift inner-loop reactor (height 1 024 mm, diameter 165 mm) with draft tube (height 590 mm, diameter 80 mm) using electrical resistance tomography (ERT) technology. The influence of gas superficial velocity on gas holdup of three cross sections was presented and the transformation of flow structure was also discussed. The results show that gas holdups in the rise area increased with the increase of the superficial gas velocity. In addition, liquid circulation velocity increases gradually and a part of bubbles drops into down-comer zone due to the gas-liquid turbulent with the increase of superficial gas velocity, and the gas holdup in down-comer zone increases significantly. Moreover, the transformation of flow structure in the reactor can be seen clearly with the result of composition of ERT time series images. Bubbles in the rising area increase with the discrete type under the low gas velocity, and the bubble swarms rise with the spiral escalation due to the rising bubble coalescence with the increase of superficial gas velocity. Meanwhile, this technique offers the possibility for noninvasive and nonintrusive visualization of flow fields in the reactor and provides a foundation for the future research.
Key words: airlift inner-loop reactor; electrical resistance tomography; gas holdup; flow structure with time series
气升式内循环反应器是气-液、气-液-固多相之间进行质量、动量、热量传递以及化学反应的重要反应器之一。内循环流动模式改进了反应器内流体流动形式，增强了流体的流动，强化了相间的传质、传热效率。因具有结构简单、造价低、运行成本低、无运动部件、传热和传质特性好、流体流动均匀、混合效率高等特点，在石油工业、生物化工、化学工业、湿法冶金、煤液化及环境保护等方面有着广泛的应用，如费托合成、一步法合成甲醇和二甲醚、汽油脱硫、重油加氢、生物废水处理以及发酵工程等[1-2]。电层析成像技术(ERT)是20世纪90年代发展起来的一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时监测技术。它将传统的单点、局部的测量，发展为过程参数的多点、截面分布式的测量，在不破坏、不干扰流体流动的情况下，获得设备内部两相/多相流体的分布信息，因此，在多相流测量过程中显示出明显的优势[3-5]。ERT技术的测量原理是基于不同的媒质具有不同的电导率，判断出处于敏感场的物体电导率分布，便可知物场的媒质分布状况。当场内的电导率分布变化时，场的分布也会随之变化，导致场内电势分布变化，从场域边界上的测量电压也要发生变化。边界测量电压变化包含了场域内电导率变化的信息。通过实际对象的边界测量电压与连续相为满管状态下对应位置测量电压的对比，运用相应的成像算法，便可重建实际对象的电导率分布，实现可视化测量，同时也可以提取流型、相含率等特征参数。由于电阻层析成像(ERT)技术具有可视化、无辐射、非侵入、成本低等优点，被广泛用于测量多相流动力学参数[6-15]。JIN等[13-15]利用电阻层析成像技术对鼓泡塔内气液相行为参数进行了测量研究，并得到很好的结果。WANG等[16]利用ERT技术对鼓泡塔内气液两相流进行测量，并发展了ERT的可视化技术。韩玉环等[17]利用ERT对气液固三相外环流反应器相含率和气液流动结构进行研究，取得了良好的结果。GUMERY等[18]则利用ERT对气升式内循环反应器的混合动力学参数进行了测量，研究了流体黏度、气体分布器结构对反应器混合效率的影响。本文作者主要利用电阻层析成像技术对气升式内循环反应器进行测量，考察表观气速对反应器上升区和下降区的影响，并研究反应器内流体流型在表观气速影响下的变化，为进一步实验研究奠定基础。
1 实验
图1所示为实验装置。实验系统分为3部分：进气系统，反应器和测量系统(见图1)。进气系统由空气压缩机、流量计等组成。整个反应器由有机玻璃制成，高1 024 mm，外径165 mm；导流筒高590 mm，外径80 mm；导流筒底隙高40 mm(导流筒底部到反应器底部的距离)。进气口开孔18 mm。电阻层析成像测量系统，有传感电极和数据采集、成像系统组成。其中电极片长20 mm，宽6 mm，厚2 mm。从上到下，ERT电极相隔距离依次是30和250 mm。导流筒内部电极和外部链接的部分套有绝缘密封套。空气由进气孔进入反应器导流筒内，导致反应器内电导率的变化，通过ERT测量、图像处理系统可以实时地反映出反应器内混合流体流动的情况。
本实验采用ITS电阻层析成像系统(P2+ v7.0-2009)，实验前先校正ERT数据采集系统(DAS)。实验过程中，在常温、常压下，表观气速从0.043 m/s到0.433 m/s，每次分别对Plane1，Plane2和Plane3进行数据采集，每次采集400帧图像。由于导流筒采用有机玻璃制成，可以看出绝缘体，通过提高激励电流来消除导流筒对下降区测量结果的影响。
图1 实验装置
Fig. 1 Experimental equipment
2 实验结果与讨论
2.1 局部气含率
气含率是气液反应器中重要的动力学参数之一，它直接影响到相接触面积，最终影响到相间传质、传热以及反应速率等。因此，对气含率及其分布特性的考察对于研究反应器放大规律有着非常重要的意义。
电阻层析成像系统每帧可测量316个电导数据，然后根据Maxwell方程得到下式，可计算得出局部气含率为
(1)
其中：
为局部气含率；
为第1相电导率, mS/cm；
为第2相电导，mS/cm；
为两相混合电导率。当第2相为绝缘相(本实验中的气相)，即为0 mS/cm。所以，式(1)变为
(2)
图2所示为在Plane1，Plane2和Plane3处气含率随着表观气速的变化。从图2可以看出：上升区(Plane1)、下降区(Plane2, Plane3)均随表观气速的增加而增大；在上升区，气含率随表观气速的变化和常规鼓泡塔内情况一样，在低气速(小于0.13 m/s)时，上升区内气泡呈离散型运动，表观气速对气含率的影响为增加气泡的数量，此时的流型为鼓泡流；当气速继续增大时，气泡在上升区内聚并开始加剧，使得大气泡数量增多，进而上升区内气含率增长速率变大，但由于大气泡在上升区内上升速度快，停留时间短，使得在上升区内气含率变化又趋于平衡增长，并且小于低气速下气含率的增长速率；而在下降区，由于Plane2处靠近导流筒顶端，而在导流筒顶端由于气液分离湍动剧烈，一部分气泡由于气液湍动流动被带入下降区顶端，因此，低气速时，Plane2处气含率和上升区气含率相差不大。但此时由于表观气速小，下降区液体流动比较缓慢，气泡只是在下降区顶端部分，气泡受到的升力远远大于液体对气泡的曳力，此时气泡逃逸出下降区，因此低气速时Plane3处的气含率几乎为0，并且在下降区有明显的气液层，在气液层以上气泡数量很多，气含率很大，在气液层以下，气含率几乎为0。随着表观气速的增加，液体在整个反应器内开始循环流动，并且循环速度逐渐增大，更多的气泡被拖曳到下降区，下降区内的气液层也随之逐渐消失，此时Plane3处的气含率增加速率突然加快。当增大表观气速时，Plane3处的气泡流动趋于稳定，气含率也基本趋于稳定。而在Plane2处，由于下降区顶端湍动比较剧烈，低气速时气含率受到液体循环速度的影响较小，之后，液体循环速度增加，越来越多的气泡被拖曳到下降区，气含率随表观气速的增加而增大，但增长速率趋于恒定，此处气泡在每个阶段都处于稳定阶段，气泡停留时间长。因此，Plane2是气液传质、传热效率比较高的地方。
图2 表观气速对局部气含率的影响
Fig. 2 Effect of superficial gas velocity on the local gas holdup
2.2 径向气含率
气含率的径向分布也是气升式反应器的重要参数之一，分析气含率径向分布情况也有助于理解流型转变、液体混合、传质以及传热性能。气泡在反应器内所受的径向力对气含率的径向分布意义很大，气泡所受的径向力包括升力、壁面力、湍动扩散力等。由于气泡所受的径向力不同，导致气含率在不同的流型下有不同的径向分布[19]。OHNUKI等[20]通过对气含率径向分布的研究，认为气液两相流中气含率的径向分布情况有2种：1) 在均匀鼓泡区或较低气速下，气含率为边壁峰或均匀分布；2) 在非均匀鼓泡区或较高气速下，气含率呈现明显的中心峰分布。图3~5分别为Plane1~3处不同表观气速下气含率的径向分布。在较低气速下，气含率的几乎呈均匀分布，而在高气速下，气含率呈峰中心分布较明显，这和OHNUKI等[20]的结论是一致的。
2.3 ERT可视化
电阻层析成像最重要的优点之一是能够实时、可视化地显示反应器内流动状态，从 ERT所采集的图像叠加得到的时间序列图中可以反映出上升区、下降区流体流动形态。通过对每一横截面时间序列图进行T3D处理发现：在上升区，低气速下气泡离散式上升，随着表观气速的增加，液体开始在反应器内循环流动，随着液体循环速度增大，上升区内气泡聚并明显，此时上升区内以气泡群的方式流动，并且出现了气泡群的摆动，而在气液分离时，被拖曳到下降区内的气泡数量以及气含率也随着表观气速的增加而增加。因此，在下降区，随着液体循环速度增加，下降区气液层消失，气含率逐渐增大。这和实验中所观察到现象是一致的。
图3 Plane1处气含率径向分布
Fig. 3 Radial distribution of gas holdups in Plane 1
图4 Plane2处气含率径向分布
Fig. 4 Radial distribution of gas holdups in Plane 2
图5 Plane3处气含率径向分布
Fig. 5 Radial distribution of gas holdups in Plane 3
图6 横截面时间ERT图像序列图(灰度由浅到深代表气泡群密度由小到大)
Fig. 6 Time series images of ERT at each cross section
3 结论
1) 电阻层析成像技术对含有导流筒的两相流反应器测量是可行的，并对电阻层析成像采集图像进行处理，给出了气相在反应器整个截面内轴向分布的情况。在上升区，气含率随表观气速的变化和常规鼓泡塔内情况一样；而在下降区，由于在导流筒顶端气液分离湍动剧烈，一部分气泡由于气液湍动流动被带入下降区顶端；随着表观气速的增加，液体的循环速度逐渐增大，更多的气泡被拖曳到下降区，下降区内气含率增加速率加快。
2) 气含率随表观气速的增加而增大，在较低气速下，气含率分布均匀，而在高气速下，气含率呈峰中心分布较明显。
3) 在上升区，低气速下气泡离散式上升；随着表观气速的增加，以气泡群的方式流动且上升区内气泡聚并明显，并且出现了气泡群的摆动；在下降区，随着液体循环速度增加，下降区气液层消失，气含率逐渐增大。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2016-01-03；修回日期：2016-04-15
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(21073020)；北京市属高等学校人才强教深度计划项目(PHR200906139)；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目(CIT&TCD20130325) (Project(20776018) supported by the National Natural Science Foundation of China；Project(PHR200906139) supported by Funding Project for Academic Human Resources Development in Institutions of Higher Learning under the Jurisdiction of Beijing Municipality; Project(CIT&TCD20130325) supported by the Importation and Development of High-Caliber Talents Project of Beijing Municipal Institutions)
通信作者：靳海波，博士，教授，从事多相流反应工程研究；E-mail: jinhaibo@bipt.edu.cn
