氣-液及氣-液-固反應(yīng)器（如發(fā)酵罐、攪拌槽和漿態(tài)床反應(yīng)器等）在工業(yè)過程中的應(yīng)用非常普遍，其氣泡尺寸及分布是影響該類反應(yīng)器性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，也直接影響反應(yīng)器的操作流型、氣液兩相間的傳質(zhì)、傳熱等傳遞性質(zhì)，最終可影響反應(yīng)速率及選擇性。因此，氣泡直徑是氣-液和氣-液-固反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為了使反應(yīng)器中氣泡能均勻分布，氣體分布器是關(guān)鍵。近年來，雖然眾多研究人員已經(jīng)提出了諸多氣泡初始直徑的預(yù)測(cè)模型，但由于影響因素較多，得到的模型不僅適用范圍小（絕對(duì)大多數(shù)僅適用于層流或較小出孔氣速，而工業(yè)操作的出孔氣速往往是其好多倍甚至好幾個(gè)數(shù)量級(jí)），且好多結(jié)論存在相互矛盾，不能滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的需求。亟需一個(gè)能考慮各種影響因素（包括出孔氣速、分布器孔徑、表面張力、流體粘度和密度等）且通用性較好的數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)工業(yè)實(shí)踐和數(shù)值模擬研究。
為了揭示氣液反應(yīng)器中氣體分布器的氣泡直徑生成規(guī)律，青島能源所多相反應(yīng)工程研究組在楊超研究員的帶領(lǐng)下展開了詳細(xì)的研究。首先，通過對(duì)4種不同的氣體分布器孔徑、5種不同工業(yè)操作氣速、4種不同液相粘度及4種不同表面張力下的氣泡生成過程用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍照，得到了大量的高清氣泡圖片（如圖1（a）所示）。然后，結(jié)合本研究組自主開發(fā)且獲得軟件著作權(quán)登記的MATLAB圖像處理程序?qū)Υ罅繄D片進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，建立了不同工作體系及操作條件下氣體分布器初始?xì)馀葜睆降臄?shù)據(jù)庫。最后，經(jīng)過對(duì)大量數(shù)據(jù)（有216個(gè)操作條件，每個(gè)操作條件處理20張以上的圖像，每個(gè)操作條件包括氣泡數(shù)量皆高達(dá)數(shù)千個(gè)）先進(jìn)行分析及巧妙建模，然后再進(jìn)行最小二乘法擬合，最終得到了計(jì)算簡(jiǎn)單、適用范圍廣、準(zhǔn)確度高的氣泡直徑預(yù)測(cè)模型。
此外，該研究組還對(duì)可得到的其他研究人員不同操作物性和實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納和整理，并應(yīng)用該模型進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。從圖1（b）可以看到，在高達(dá)657個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中，只有22.70%的數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)測(cè)誤差超過了20%，僅有0.91%的數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)測(cè)誤差超過40%，這完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要，也進(jìn)一步證實(shí)了本研究提出的數(shù)學(xué)模型操作范圍廣、可靠性好。
圖1 (a)氣泡初始生成圖 (b)模型驗(yàn)證圖
上述研究成果發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域重要國際期刊Chemical Engineering Science上，該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、中國石油能源化工聯(lián)合研發(fā)中心項(xiàng)目等支持。（文/肖航 圖/黃青山）
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.02.009
