本发明专利技术是一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法。本发明专利技术涉及气液鼓泡流化技术领域，本发明专利技术选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；建立气泡流动流态图；建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。本发明专利技术在不同射流入口速度、射流孔直径、孔间距和射流孔数量和直管分布器直径条件下，揭示气泡聚并和破碎事件和气泡均匀和非均匀湍流流动的关联特性，优化气液鼓泡床气液湍流流动特性，实现小尺寸气泡分布的离散气泡的均匀流动，以增强传热和传质性能。传质性能。传质性能。
【技术实现步骤摘要】
一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法
[0001]本专利技术涉及气液鼓泡流化
，是一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法。
技术介绍
[0002]气液鼓泡流化床反应器广泛应用在化工、生物制药、清洁燃烧和低碳可持续能源领域。其优点在于结构简单、无明显的运动构建、运行和操作费用成本较低、气液相间接触面积较大及较强的传热和传质能力，在生物细胞培育工程及制药过程领域得到大量应用。
[0003]鼓泡床内气泡尺寸分布、上升速度以及其聚并和破碎行为直接影响床内流动形态、气含率分布等气液流体动力学特性，进而影响过程的传递行为以及产品的转换率和获取收率。
[0004]尽管以前进行了大量的研究，但由于实验装置、操作条件和测试手段不同，导致结果存在较大差异，无法得到统一的规律和唯象模型。
[0005]气液鼓泡流化床的气液流动分为3个典型流动状态，为表观气速和流化床直径两个主要参数。流动分为均匀气泡流动、过渡流动区域和非均匀湍流流动区域。在均匀气泡流动区域，气泡呈现离散气泡运动状态，气泡之间没有发生碰撞和聚并以及破碎事件，气泡尺寸分布均匀。
[0006]伴随着表观气速的增加，气泡聚并和破碎的事件开始发生，此时的流动处于过渡流动状态。在非均匀湍流流动中，气泡与气泡之间存在强烈的碰撞、聚并和破碎效应，气泡尺寸分布变为双峰值或者多峰值特性。此时，气泡尺寸均匀分布状态已经被打破。
[0007]虽然大多数鼓泡反应器表观气速值并不高，但对于直管式气流分布器经过直径非常小的射流口之后，气泡射流速度值是非常之高的。在射流孔附近，气泡聚并和破碎事件发生概率极高。
[0008]基于运行参数而言，确保气泡尺寸分布并保证气泡直径不小于1.0mm，也就是没有极小尺寸气泡的存在，这样便于降低培育细胞的死亡率。小气泡的存在当气泡聚并和破碎发生时尽管无法避免。与此同时，高性能传质能力的要求气泡尺寸分布状态为集中小尺寸均与分布的特性，通过增加全部气泡表面积而提高总传质系数。
[0009]尽管大量的研究对于气液湍流反应器已经开展，但因缺少对于复杂气液两相湍流流动本质机理上的认知，例如气泡和液体相间相互作用、湍流流态的转变、气泡运动过程中的聚并和破碎以及气泡各向异性弥散特性等机理认知，目前尚未完全掌握和理解，其原因大多基于经验和半经验的积累，对于反应器的优化、放大和商业化，缺乏理论和唯象模型的指导。
[0010]如果在整个流化床高度范围内，采用远离气流分布器的均匀气泡尺寸(假定没发生聚并和破碎事件)的假定会导致误差很大。当前研究中。认为沿着鼓泡床高度变化的液体粘性和表面张力物性参数，将会影响气泡尺寸分布，并建议最低高度应该位于分布器上面
3.0～5.0cm处。
[0011]反应器入口初始气泡的不同尺寸分布将导致不同气泡
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液体的表面积密度比值，对从而影响传热传质的效率。发生在气力分布器表面气泡的初始尺寸取决于分布器集合设计参数、入口射流速度、液体物性和局部能量耗散等因素。伴随着气泡尺寸沿着床高度变化，当最初的气泡表面张力和破碎受力平衡态被打破，将会导致更多的气泡变会参与此过程。
[0012]为了预报和优化反应器内气泡尺寸的变化趋势，必须准确获得气泡的初始尺寸分布，例如，在离开气流分布器表面之后在附近区域的尺寸分以及各种反应器几何形状、气流分布器几何设计参数、射流孔设计响、射流入口流动速度等影响。
[0013]目前，大多数研究认为沿着气流分布器射流孔的气流速度分布假定为均匀的。但实际上是非均匀分布特性，取决于气流分布器许多平特性参数包括气体压力、运动动能和摩擦力沿着管路损失，及射流孔的直径、孔间距、数量和空位置等。均匀射流气体进入液相会导致较高的气液交互液面而提高传质系数、较低水平和液体返混和降低出现射流气体“死区”概率。此外，也会导致某些射流孔堵塞和较高的压力降。
[0014]预测在第一个和最后一个射流孔之间均匀射流分布的百分率军基于实验测量的数据基础。与此同时，由基于入口速度、直管管径或射流孔直径与分布器管径之比的动能控制和摩擦力控制流动的差异，或者如上所述参数没有给出具体信息。每个射流孔的流动状态取决于局部压力驱动力和动量守恒定律。但是如何选取动量恢复系数、射流孔径系数和摩擦因子非常困难。基于经验关联式预报射流孔临界直径(确保95％射流均匀分布率)最关键因素是射流孔排放系数，其取决于射流孔几何类型、孔压力测点的位置。
[0015]研究表明，气流分布器附近气泡聚并和破碎和湍流流动特性，极大程度受到射流管直管管径、射流孔直径及孔间距以及射流入口速度的影响，从而改变其湍流流动特性而改变反应器传热和传质性能。缺乏合理的气泡流破碎和聚并唯象模型的外推预报和数据积累，严重制约深入优化和放大反应器的设计。
[0016]迄今为止大多数研究，均集中于远离气流分布器表面之后距离的气泡运动和尺寸分布。缺乏对于近射流分布器表面气泡聚并和破碎事件和尺寸分布研究甚少直管气流分布其设计参数，如直管直径、射流孔直径和数量、射流孔之间孔间距和气流射流入口速度，对近分布器区域气泡尺寸影响的判别和唯象模型研究，未见报道。
技术实现思路
[0017]本专利技术为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。本专利技术采用非接触式高速摄像机测量直管式气流分布器附近区域气泡聚并和破碎事件，判定与射流入口流速、射流孔直径、孔间距和直管直径等几何参数的关联，及提出气泡流动形态流型图，构建唯象模型。
[0018]本专利技术提供了一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法，本专利技术提供了以下技术方案：
[0019]一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，所述方法包括：
[0020]步骤1：选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎
事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；
[0021]步骤2：进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；
[0022]步骤3：进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；
[0023]步骤4：建立气泡流动流态图；
[0024]步骤5：建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。
[0025]优选地，所述步骤1具体为：
[0026]步骤1.1：压缩空气经过质量流量控制仪，进入到直管气流分布器；
[0027]步骤1.2：射流气体经射流孔进入鼓泡流化床反应器，在气流分布器上方经历气泡发生、脱离分布器表面、向反应器上液面运动；
[0028]步骤1.3：气泡运动流态可能性：保持离散气泡流动状态，气泡之间不发生碰撞等相互作用；
[0029]步骤1.4：另一方面气泡上升过程中发生碰撞、聚并和破碎过程；
[0030]步骤1.5：向上运动的气泡一方面向下返混以及左右摇荡，形成复杂非均匀湍流流动结构；
[0031]步骤本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述方法包括：步骤1：选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；步骤2：进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；步骤3：进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；步骤4：建立气泡流动流态图；步骤5：建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。2.根据权利要求1所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤1具体为：步骤1.1：压缩空气经过质量流量控制仪，进入到直管气流分布器；步骤1.2：射流气体经射流孔进入鼓泡流化床反应器，在气流分布器上方经历气泡发生、脱离分布器表面、向反应器上液面运动；步骤1.3：气泡运动流态可能性：保持离散气泡流动状态，气泡之间不发生碰撞等相互作用；步骤1.4：另一方面气泡上升过程中发生碰撞、聚并和破碎过程；步骤1.5：向上运动的气泡一方面向下返混以及左右摇荡，形成复杂非均匀湍流流动结构；步骤1.6：另一部分气泡运动到反应器上液面表面，排除反应器，完成气体排出；步骤1.7：重复步骤1.1，形成往复循环流动。3.根据权利要求2所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤2具体为：步骤2.1：采用高速摄像机和选择测量高度位置，确定射流孔直径和孔间距，改变射流入口速度；步骤2.2：射流孔直径的取值为0.4mm、0.6mm和0.8mm；步骤2.3：测量气泡Sauter直径分布和观察气泡流动的拓扑结构；步骤2.4：判定气泡聚并和破碎的准则判别式；步骤2.5：确定射流入口速度和射流孔直径，改变孔间距，重复步骤2.2
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步骤2.3；步骤2.6：确定射流入口速度和孔间距，改变射流孔直径，重复步骤2.2
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步骤2.3。4.根据权利要求3所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤3具体为：步骤3.1：分析分别采用射流孔数量2个、3个和4个和射流孔直径1.1mm，1.5mm和1.9mm在不同孔间距和射流速度下，在气流分布器上方6.0cm处气泡流动形态的捕捉；步骤3.2：分析离散小尺寸气泡的流动状态和变化趋势；步骤3.3：分析气泡聚并诱发大尺寸气泡...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘阳，张莉，邵明亮，叶信学，罗平，
申请(专利权)人：台州学院，
类型：发明
国别省市：
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