【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】曝氣過(guò)程普遍存在于發(fā)酵罐、鼓泡塔、攪拌反應(yīng)器、漿態(tài)床反應(yīng)器、污水處理池和精餾塔等多種類(lèi)型的反應(yīng)器和分離器內(nèi)，氣體分布器作為此類(lèi)曝氣裝備的核心內(nèi)構(gòu)件，生成氣泡的直徑及分布直接影響反應(yīng)器內(nèi)的氣含率和流型(如毫米級(jí)氣泡在反應(yīng)器中可停留約幾十秒，而納米級(jí)氣泡的停留時(shí)間可高達(dá)6周以上)以及后續(xù)的混合、傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)等過(guò)程，甚至可影響反應(yīng)速率及反應(yīng)的選擇性，是決定反應(yīng)器性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。雖然氣泡直徑是曝氣反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，但受操作條件(過(guò)孔氣速、壓力和溫度等)、孔口性質(zhì)(孔口尺寸、潤(rùn)濕性和接觸角等)以及流體的物理性質(zhì)(密度、粘度和表面張力等)等較多因素影響，曝氣反應(yīng)器內(nèi)氣泡直徑的確定迄今仍然嚴(yán)重依賴于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)，關(guān)于氣體分布器氣泡生成直徑的研究雖然取得了突破性的進(jìn)展，也提出了諸多經(jīng)驗(yàn)性和理論性的數(shù)學(xué)模型，但已有數(shù)學(xué)模型大多僅適用于低速的空氣-水體系，且部分結(jié)論不一致，無(wú)法解釋高溫、高壓條件下小氣泡的產(chǎn)生原因，不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中高曝氣速率的應(yīng)用需求。因此，亟需建立能充分考慮各種影響因素且通用性較好的數(shù)學(xué)模型來(lái)指導(dǎo)工業(yè)曝氣反應(yīng)器的設(shè)計(jì)并為數(shù)字化放大提供可靠的邊界條件。
 

　　為了揭示工業(yè)曝氣反應(yīng)器中氣泡直徑的生成機(jī)理，進(jìn)一步消除現(xiàn)有模型外推至其它應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)存在較大的誤差和風(fēng)險(xiǎn)，尤其是從機(jī)理上闡明在高溫高壓等苛刻條件下生成小氣泡的根本原因，進(jìn)而大幅降低多變、復(fù)雜條件下工業(yè)曝氣反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大風(fēng)險(xiǎn)，青島能源所綠色反應(yīng)分離與過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)中心反應(yīng)分離強(qiáng)化研究組在黃青山研究員的帶領(lǐng)下，針對(duì)氣泡生成時(shí)的受力情況進(jìn)行充分分析，假定促進(jìn)氣泡脫離曝氣孔的向上升力與阻礙其脫附的阻力在氣泡脫離的瞬時(shí)達(dá)到平衡，并對(duì)曝氣時(shí)的各種作用力進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)姆忾]，建立了一個(gè)機(jī)理性的氣泡生成力平衡分析模型進(jìn)行氣泡生成直徑的理論預(yù)測(cè)。此外，利用文獻(xiàn)中可收集到的各種曝氣條件的899組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(孔徑：0.2-10 mm，液體粘度：0.847-849 mPa?s，液體密度：980-1310 kg/m3，表面張力系數(shù)：0.0478-0.08 N/m，曝氣速度：0-81.48 m/s)，對(duì)曝氣直徑模型進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而揭示了曝氣孔直徑、流體物性和操作條件等主要影響因素對(duì)氣泡生成的影響機(jī)制，闡明了各種工業(yè)曝氣條件下各主要作用力的貢獻(xiàn)程度(如圖1所示)，并首次明確了在高溫高壓下小氣泡產(chǎn)生的機(jī)制。該研究提出的氣泡直徑預(yù)測(cè)新理論模型不僅預(yù)測(cè)精度高、適用范圍廣，而且由于是機(jī)理性數(shù)學(xué)模型，外推復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)較低。該研究不僅為工業(yè)曝氣反應(yīng)器(如鼓泡塔、沸騰床、氣升式環(huán)流反應(yīng)器、漿態(tài)床反應(yīng)器等)的科學(xué)設(shè)計(jì)和放大提供了理論指導(dǎo)，還為數(shù)值模擬提供了可靠的邊界條件，顯著降低了在復(fù)雜場(chǎng)景應(yīng)用的盲目性。
 

圖1 氣泡生成的初始直徑假設(shè)、模型驗(yàn)證及受力平衡分析
 

　　上述研究成果發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域期刊Chemical Engineering Journal上，第一作者為青島能源所博士生李思寬，通訊作者為黃青山研究員、陳阿強(qiáng)副研究員和中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所楊超研究員。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。