加压大型鼓泡塔中气泡群介尺度流动结构与传质特性的构效关系

This project is aiming at the relationship between the heterogeneous flow structure and mass transfer in a large gas-liquid bubble column with high pressure using a technique combination of electrical resistance tomography, multi-point conductance probe and dynamic differential pressure technology. The effects of operating conditions and liquid properties on gas-liquid flow behavior, mass transfer, and the mixing characteristics are studied. The axial and radial distribution characteristics of bubble (bubble swarm) and flow characteristics are analyzed and multi-scale bubble model and transition criterions of flow region are presented. According to the hydrodynamic characteristic, the effects of various factors on the gas-liquid phase interface are explained, and the relationship between the mass transfer characteristics and gas-liquid flow is given. The coupling relationship of bubble (bubble swarm) behavior and mass transfer parameters is built, which reveal the mechanism of fluid flow and mass transfer in the large diameter gas-liquid bubble system under the introduction of pressure. It is significant to provide a theoretical guide for the design and scale-up of the bubble column reactor.

本项目以高压、大直径气液鼓泡塔的研究为背景，以介尺度气泡（群）为研究对象，采用电阻层析成像技术、多点电导探针、动态差压传感技术等多种测量技术组合，考察操作条件与气液性质等条件对气液流动行为、传质与混合特性的影响，探讨气泡与气泡群的轴向与径向分布特征和流动特征，建立气泡群的多等级模型与流型转变判据；解释各因素对气液传质相界面的影响，给出气液传质特性的变化关系，分析气液流动、气泡与气泡群与传质特性参数构效关系，给出气液流动与混合对鼓泡塔整体传质特性作用机制。从更深层次上揭示压力引入后大直径气液鼓泡系统的流体流动机制和传质机理，为鼓泡塔反应器的设计、放大和改造提供理论指导。

本项目以高压、大直径气液氧化鼓泡塔反应器的研究为背景，以介尺度气泡（群）为研究对象，在内径300mm的加压气液鼓泡塔中采用电阻层析成像技术、多点电导探针、动态差压传感技术等多种测量技术组合，研究了空气-水、N2-醋酸母液、N2-SBES胶液等体系中气液流动特性。考察操作条件与气液性质等条件对气液流动行为、传质与混合特性的影响，探讨气泡与气泡群的轴向与径向分布特征和流动特征。采用双流体CFD对该鼓泡塔进行二维和三维的模拟，引入曳力、升力、湍流扩散力、壁面润滑力对其进行了封闭，在升力、湍流扩散力、壁面润滑力确定的基础上提出了三种曳力模型方案：基于roghair的气泡群曳力模型，引入大小气泡气含率对其进行了封闭；在大气泡气含率大于0.02时，忽略小气泡影响，将小气泡与液体整合成一相作为致密相，大气泡为稀相；基于双气泡尺寸模型的能量最小化多尺度概念（EMMS），引入曳力系数与气泡直径关系封闭模型，并优化了模型。三种模型较好地给出气泡大小、大小气泡气含率、BSD、液速等轴向、径向分布特征；并采用CFD-PBM耦合模型对大型加压鼓泡塔流体力学进行模拟，将密度修正项ρg/ρ0引入到Luo气泡聚并模型中，分析加压气液湍流条件下液体性质对气泡与气泡群行为的影响规律，模拟结果与实验结果吻合较好，两者具有较好的可靠性。并将数值模拟结果与基于电阻层析成像技术（ERT）的实验结果对比分析，并通过将ERT实时采集的横截面气含率分布和时间序列图与模拟结果进行比较，得出电阻层析成像技术测量结果与计算流体力学方法计算结果吻合良好，能很好地表示鼓泡塔内气体呈S形曲线上升的气液流动状态。从气泡与气泡群层次上揭示压力引入后大直径气液鼓泡系统的流体流动机制和传质机理，为鼓泡塔反应器的设计、放大和改造提供理论指导。这些促进了气液鼓泡塔反应器的设计、放大和改造等过程中的问题解决。.本项目在国内外核心期刊发表研究论文24篇，SCI收录15篇；EI收录13篇；参加国际和国内学术会议31人次，申请发明专利7项。培养研究生6人，其中3人已经顺利毕业。项目组获得北京市市属高校高水平创新团队支持计划，1人获得中国产学研合作创新奖，获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖1项，中国化工学会基础研究成果奖三等奖1项。