基于传质强化的微气泡塔盘流动特性实验的研究

郭舒 董纪鹏 鲍捷 李建隆

摘      要： 筛板塔塔内件的作用主要是增大气液比表面积，改变气液接触形式，以提高塔内传质、传热。研究者提出了新型微气泡塔盘，通过在筛板上方的泡沫层内增加破泡组件，利用破泡组件使大气泡破裂为小气泡，增加气液接触面积，提高气液传质、传热效果。利用自行设计的筛板塔和微气泡塔盘实验平台及PIV测速系统，测定了塔板上气泡的直径分布和上升速度。实验结果显示：与普通筛板相比较，微气泡塔盘上气泡的上升速度较小，气泡停留时间更长，且径向分布更平坦;气泡直径也仅为筛板的1/16，气液接触的比表面积增大，更利于传质过程的进行。

关  键  词：强化传质;微气泡塔盘;破泡装置;气泡直径

中图分类号：TQ053.5       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）11-2513-04

Experimental Study on Flow Characteristics of Microbubble

Tray Based on Mass Transfer Enhancement

GUO Shu， DONG Ji-peng， BAO Jie， LI Jian-long^*

（College of Chemical Engineering， Qingdao University of Science &Technology， Shandong Qingdao 266042， China）

Abstract： The function of inner parts of sieve tray tower is to increase the specific surface area of gas-liquid and change the contact form of gas-liquid in order to improve mass transfer and heat transfer in the tower. The researchers put forward a new type of micro bubble tray. By adding bubble breaking assembly in the foam layer above the sieve plate， big bubbles can be broken into small bubbles to increase the gas-liquid contact area， and improve the gas-liquid mass transfer and heat transfer effect. The diameter distribution and rising velocity of bubbles on the sieve tray and micro-bubble tray were measured using a self-designed experimental platform and PIV speed measurement system. The experimental results showed that compared with the ordinary sieve plate， the rising speed of bubbles on the microbubble tray was smaller， the residence time of bubbles was longer， and the radial distribution was more flat; the diameter of bubbles was only 1/16 of the sieve plate， and the specific surface area of gas-liquid contact increased， which was more conducive to the mass transfer process.

Key words： Enhanced mass transfer; Micro-bubble tray; Bubble breaking device; Bubble diameter

石油化工领域，精馏塔^[1-6]作为一种主要的分离设备在提高生产过程的经济效益和产品质量中起到举足轻重的作用。筛板塔^[7-9]作為一种常用的板式精馏塔，因其结构简单、塔板效率高、生产能力大等诸多优点，得以广泛应用。塔板是气液两相接触并进行传热、传质的场所，其传热、传质过程的提高和优化历来都是国内外研究和关注的热点之一。强化气液传质、传热过程，可显著设备提高生产效率，降低操作运行费用。为此，研究人员先后开发了一系列具有低压降、高通量、抗堵塞性能的新型塔板，如95型大通量塔板^[10]、新型垂直筛板^[11]、新型立体喷射式复合塔板^[12]等。

从各种筛板技术的不断更新中可以看出，筛板塔的改进和优化主要集中在液体出入口空间的改进、鼓泡区面积的强化和降液管结构的优化三个方面^[13-15]。开发的方向也多是针对解决某些特定问题，如低压降、高通量、抗堵塞等。且新型塔板的开发更多地是强调内件的一体化和传质元件的复合化，使得塔板结构更加复杂，造价高昂。本文提出了一种简单易行的结构改进，通过在筛板上架设“破泡装置”，以强化气液传质效果，并通过实验研究对新结构进行考察，为其在工业上的推广应用提供理论基础。

1  实验部分

1.1  实验流程（如图1）

加有罗丹明B（一种示踪粒子）的水从储罐6由水泵7经过转子流量计8注入实验塔内，空气由风机11经过孔板流量10计从塔底通入塔内，经过气体分布器4到达实验筛板3，气液两相错流接触。在恒定的液体流量条件下，通过PIV系统的CCD相机拍摄不同气速下均匀鼓泡状态的照片，再利用计算机软件统计气泡尺寸、气泡上升速度及其分布情况。

1.2  实验设备

实验所用筛板塔的材质为有机玻璃，外径为125 mm，壁厚2.5 mm，内部安装实验筛板、筛网和气体分布器，气体分布器安装在筛板偏下180 mm处，筛板的具体结构如图2所示，实验所用设备具体参数如表1所示。

1.3  实验方法

粒子成像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称PIV）是从上世纪80年代初由流动显示技术发展起来的一种瞬时平面流场的测量方法^[16-18]。PIV先后经历了从模拟技术到数字技术的转变^[19]。流动空间结构的需要、湍流研究的需求和稳定流场的测试需要为PIV技术的发展提供了强大的推动力，图像处理技术的发展和阵列式计算机的产生又为其提供了技术基础，成为近年来流体力学领域的重要成就之一。

PIV测试的原理是：向待测流体中撒入跟随性较好的示踪粒子，利用激光在较短时间间隔内连续照亮待测区域，通过相机拍摄记录包含示踪粒子的图像，然后将图像分成上百乃至上千个查询区域，通过傅里叶变换等方法算出示踪粒子在每个查询区域的速度，从而得到整个区域的速度场，并进一步得到其他的信息，是一种瞬时的多点测试技术。本次实验拍摄图如图3所示，通过将拍摄的图片存入计算机进行一系列分析和处理，可较为准确的得到气泡直径与上升速度等参数。

本次实验在液体流量2 L/min，气体流量16～20 m³/h的条件下进行。

2  实验结果与讨论

2.1  气泡上升速度

气泡的上升速度对塔板上的气液传质有很大影响。一般来说，气体上升速度慢，气体在清液层内停留时间长，有利于传质的进行。反之，则停留时间较短，不利于传质。本实验主要探究了表观气速对气泡上升速度的影响，以及不同轴向位置的气泡速度分布情况。

图4为普通筛板塔内，堰流强度为0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液层高度为0.012 m时，不同表观气速下，z=0.02 m横截面上的气泡上升速度分布图。图中可以看出：表观气速对气泡上升速度影响显著，通气量较小时，气泡上升速度较小，径向分布较平缓，塔中心处形成的气泡最大，故其上升速度也最快;通气量较大时，最大气泡上升速度增大，但是塔壁附近气泡上升速度变化不及塔中心明显，这是由于塔壁附近气含率低，随表观气速的增加变化不大，气泡聚并作用较弱的缘故。

图5是微气泡塔盘内，堰流强度为0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液层高度为0.012 m时，不同表观气速下，z=0.02 m横截面上的气泡上升速度分布图，与图3对比可以看出，表观气速对气泡上升速度影响较小，虽然随着通气量的增加，气泡的上升速率也会增大，但是增幅却不如筛板中那么迅速，且从数值上可以看出，气泡上升速度低于筛板中的气泡上升速度，最大气泡上升速度为15 cm·s^-1，而筛板的为20 cm·s^-1，气泡在液相中的停留时间越长，对传质的进行更加有利。塔板中心的气泡上升速度仍然是最大的。不同于筛板的气泡上升速度径向分布，微气泡塔盘中的分布更均匀，说明气泡大小和聚并程度较为一致。受到破泡装置的影响，过孔的气泡直径分布在1～3 mm范围内，这种小气泡射流速度小，運动稳定，不容易破碎。

2.2  气泡直径分布

本文统计的气泡平均直径d_o是指通过气泡重心的弦长的平均值。默认它为气泡的等效直径，它与气含率、界面浓度、表面张力等有着直接联系，气泡的大小决定着气液两相混合的比表面积，比表面积的大小决定了气液传质效果。当气泡平均直径较大时，表明气泡的体积较大，上升速度快，不利于气液两相传质过程的进行。本实验主要对比考察了普通筛板塔盘和微气泡塔盘上气泡平均直径的变化。

如图6所示，实验选择表观气速为0.233 m·s^-1，堰流强度为0.96 （m³·h^-1）·m^-1，清液层高度为0.012 m的操作条件下的气泡图像进行分析，分别选取了z₁=0.02 m、z₂=0.05 m、z₃=0.08 m三个高度，获取了塔板上气泡的径向分布情况。筛板塔板上，大气泡集中在塔板中心，这与前文所述塔板中心处气泡上升速度最大相呼应，靠近塔壁附近气泡较小，这是因为塔壁气含率低。随着轴向高度的增加，中心气泡也在增大，实际上，当气泡增大到一定程度时，其增长程度就会放缓，这是外力平衡的结果，最终气泡上升或至与自由界面接触发生破碎，或受挤压扰动发生形变破碎。本文测量的刚过孔的气体产生的气泡大约为30 mm，这与对单孔鼓泡气泡团的研究基本相符^[20]，在z₃=0.08 m处，整个截面的气泡平均直径约为42.5 mm，同时气泡分布范围变大，如此大的气泡是很不利于传质的;靠近边壁的弓形区形成回流，聚并和破碎作用此消彼长，相互制约，所以随着轴向高度的增加，塔壁附近气泡平均直径的增加并不明显。

如图7所示，微气泡塔盘的气泡分布规律和筛板的大致相同，最大的气泡也集中在塔板中心处，随着轴向高度的增加，中心气泡聚并作用增强，气泡不断长大，塔壁附近的气含率较低，所以气泡较小。对比筛板和微气泡塔盘上的气泡分布，可以十分明显的看出破泡装置的破泡效果：气泡平均直径的分布由筛板塔的22～56 mm降低至微气泡塔盘的1～3.5 mm，筛板中过孔形成的气泡直径较大，在水中运动时较难保持形状稳定;微气泡塔盘中破泡装置的孔径小，形体曳力大，初期形成的气泡较小，直径较小的气泡在水中容易保持其稳定形态，其发生变形的时间比大气泡晚^[21]，由于孔的尺寸远小于气泡最小直径，增大了气泡上升过程的阻力，突然的收缩使大气泡破碎成无数小气泡。小体积、小气泡上升速度都对传质发挥积极影响。

3  结 论

本文采用PIV测试技术对普通筛板和微气泡塔盘上气泡的上升速度与气泡直径进行了实验测量，可得出以下结论：

（1）板上气泡的上升速度与表观气速成正比，气泡上升速度在塔板中心出现峰值;相比较来说，普通筛板上最大的气泡上升速度达到了20 cm/s，微气泡塔盘仅为15.2 cm/s，且微气泡塔盘气泡上升速度随着表观气速改变的变化亦较小，径向分布更平坦，气泡停留时间更长，有利于传质的进行。

（2）筛板与微气泡塔盘中板上气泡平均直径的分布呈现相似的规律，都随着轴向高度的增大，气泡直径变大，同一轴向高度上，气泡的直径自塔板中心处向塔壁方向递减;但微气泡塔盘中的气泡直径仅为筛板的1/16。气泡直径小，比表面积增大，传质比表面积增大，有利于传质的进行。

（3）通过上述对比分析，微气泡塔盘比普通筛板具有更加优异的气液传质和分离效果。

参考文献：

[1] 王少鋒，项曙光. 浮阀塔板最新应用研究进展[J]. 化工进展，2014，33（7）：1677-1683.

[2]任海伦，安登超，朱桃月，李海龙，李鑫钢. 精馏技术研究进展与工业应用[J]. 化工进展，2016， 35（6）： 1606-1621.

[3]FRYBACK M G，HUFNAGEL J A.Distillation-equipment design[J]. Industrial&Engineering Chemistry，1960，52（8）：654-661.

[4]江山，胡大鹏，金鑫，赵彬彬. 大通量板式塔研究进展[J]. 化工装备技术， 2015，36（5）： 31-40.

[5]Shuo Jiang， Hong Gao， Jinsheng Sun， Yanhong Wang， Lining Zhang. Modeling fixed triangular valve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J]. Chemical Engineering and Processin， 2012， 52： 74-84.

[6]Ali Zarei ， Seyyed Hossein Hosseini ， Rahbar Rahimi. CFD study of weeping rate in the rectangular sieve trays[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers， 2013， 44： 27-33.

[7]Asghar Alizadehdakhel ， Masoud Rahimi ， Ammar Abdulaziz Alsairafi. CFD and experimental studies on the effect of valve weight on performance of a valve tray column[J]. Computers and Chemical Engineering， 2010， 34： 1-8.

[8]曹振恒，王彩琴，赵立功，孙军军. 分散降液筛板塔传质性能[J]. 化工学报， 2015， 66（10）： 4061-4066.

[9]李群生，张满霞，汤效飞. 导向筛板-导向浮阀塔板流体力学及传质性能[J]. 现代化工，2013， 33 （3）： 84-87.

[10]李鹏，吴有庭，张志炳. 95型塔板的流体力学性能[J]. 南京大学学报， 2000， 36（4）： 487-490.

[11]左美兰. 塔板最新研究和展望[J]. 化学工业与工程技术， 2009，30（1）： 28-31.

[12] 刘兴勃. 新型立体喷射式复合塔板的流体力学性能与传质性能研究[D]. 北京化工大学，2017.

[13]高有飞，刘兴，张振千. 导流浮阀塔板的应用与分析[J]. 现代化工， 2008， 28（1）：9-12.

[14]周政，梁银春，张志炳. 全导流95-II型塔板上液层温度分布与板效率[J]. 化工学报， 2003， 54（5）699-701.

[15]Delnieki W V，Wagnen J L.Performance of multiple downcomer trays[J]. Chem.Eng.Prog， 1970， 66 （3）：50-60.

[16]蘇莹. PIV技术应用于气液两相流的研究现状[J]. 石油工程，2017， 43（5）： 28-29.

[17] C. D. Meinhart， S. T. Wereley， J. G. Santiago. PIV measurements of a microchannel flow[J].Experiments in Fluids ，1999， 27：414-419.

[18]F Scarano. Tomographic PIV： principles and practice[J]. Measurement science and technology， 2014，24 ：1-28.

[19]刘玥，梁忠生，鲍锋.粒子成像测速--非介入式全场技术[J].中国科技信息，2010（13）：37-40

[20]周滢，朱菊香，俞晓梅. 筛板塔中单孔鼓泡气泡团的研究[J].浙江工业大学学报，2002， 30 （2）： 106-109.

[21]朱仁庆，李晏丞，倪永艳， 等. 气泡在水中上升运动的数值模拟[J]. 江苏科技大学学报（自然科学版），  2010， 24（5）：420-426.