梁倩卿等《微界面气体分布器的试验研究》学术报告

一、作者及研究机构

本文的主要作者是梁倩卿 (Liang Qianqing)、赵保槐 (Zhao Baohuai)、张毅 (Zhang Yi)、卜亿峰 (Bu Yifeng) 和门卓武 (Men Zhuowu)，研究分别由“中石化催化剂有限公司工程技术研究院 (Sinopec Catalyst Co., Ltd., Engineering Technology Research Institute)”和“北京低碳清洁能源研究院 (National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy)”的研究人员共同完成。文章发表于《能源化工》（Energy Chemical Industry）2024年第45卷第5期（2024年10月）。

二、研究的学术背景

科学领域及研究动因

本研究聚焦于多相反应器 (heterogeneous reactors)，具体探讨微界面气体分布器在气液多相流体系中的传质性能优化。多相反应器广泛应用于多种工业过程，包括对二甲苯液相氧化制对苯二甲酸 (PTA)、费托合成 (Fischer-Tropsch Synthesis)、甲醇合成、二甲醚合成、煤加氢液化以及烃类羰基化反应。然而，这些过程往往由于气泡尺寸大、传质效率低等问题受到阻碍。此外，传统的气体分布器常导致气液相界面积低、气体停留时间短、传质阻力大。这为开发新型分布器、引入微气泡（直径1~1000 μm，microbubble）提供了重要的科学研究基础和应用需求。

目标与意义

本研究旨在： 1. 开发一种新型微界面气体分布器，以实现微米级气泡的引入； 2. 系统研究分布器结构及工艺参数（如气速与开孔型式）对气泡生成的影响； 3. 探索多相流环境下微气泡对气液传质的潜在应用，为分布器的工业化设计和放大提供理论依据。

三、研究流程及方法

研究流程概览

研究主要包括两个部分：微界面气体分布器各区域的成泡试验和微气泡生成的动态分析。采用了新设计的圆柱型分布器和高精密成像技术，优化了实验流程以探索微米级气泡的生成条件。

(1) 分布器设计及实验平台搭建

气体分布器由上海费米激光科技有限公司加工定制，呈圆柱形结构。分布器顶面包含5个微孔，侧面包含81个微孔，开孔均为锥形孔（孔径25~50 μm），材质为不锈钢，厚度为1 mm。分布器的孔尺寸经工业金相显微镜确认，以确保加工精度。具体设计及结构见文中图1。

为观察气泡生成过程和运动状态，搭建了可视化实验平台，包括空气压缩机、缓冲罐、气体流量计、方形鼓泡塔、高速相机、LED灯源及电脑（见图3）。

(2) 顶部成泡试验

在常温常压下进行试验，以空气为气相、去离子水为液相。进气流量从10 ml/min到500 ml/min不等，通过高速摄像机拍摄观察顶面微孔的气泡生成过程。记录气泡直径随进气流量和时间的变化。

(3) 侧面成泡试验

对比侧面81个微孔的出气胞行为，同样记录气泡生成情况，分析不同进气量（10~800 ml/min）条件下气泡脱离壁面时的直径，以及气泡生长频率。气泡出口的动力学行为通过Young-Laplace表面张力公式解释，研究进气量与气孔结构对生成气泡尺寸的影响。

(4) 数据处理及分析

实验数据包括气泡直径、气泡生成频率、进气量变化等。结果通过数学模型（如椭球模型）计算气泡尺寸，并结合液相张力与浮力平衡假设，建立生成气泡受力与动力学行为的关联。

四、主要结果与讨论

(1) 顶部成泡试验

1. 气速较低时，气泡的生成过程符合“膨胀-脱离”模型，生成频率稳定（0.0154 s），气泡直径为1.037~1.306 mm，与理论计算值（1.306 mm）接近。
2. 气速增大时，生成频率随进气流量增加而加快：当气相流量为100 ml/min以上时，频率增幅显著，同时气泡平均直径也随之增大。
3. 然而，在试验范围内（0.0017~0.0833 cm/s），顶部微孔始终无法生成直径小于1 mm的微米级气泡。

(2) 侧面成泡试验

1. 在进气量为10~400 ml/min的条件下，侧面微孔能够生成微米级气泡，直径为846~923 μm，气泡聚并现象较少，显示了侧面孔在形成微气泡方面的优越性。
2. 进气量超过425 ml/min后，生成气泡直径显著大于1 mm，不再符合微米级标准。这表明在较高的孔口气速条件（>41.97 m/s）下，微孔气体分布器无法维持生成小尺寸气泡的能力。
3. 侧面孔口的气泡生成得益于两端压差的动态变化，气泡脱离表面张力后，完成稳定生长。分析显示，Young-Laplace公式较好地解释了气泡生成过程中的受力平衡。

五、研究结论

1. 微界面气体分布器顶部和侧面微孔在成泡行为上的表现存在显著差异。顶部微孔无法生成微气泡，而侧面微孔在适宜的进气量范围内（15~425 ml/min）表现出优良的微气泡生成能力。
2. 微米级气泡的生成条件与气体分布器的型式高度相关，表明分布器的结构优化是提高微气泡生成效率及传质性能的关键。
3. 本研究为工业化应用中微界面气体分布器的设计提供了系统数据与理论支持，推动了多相反应器中气液传质效益的提升。

六、研究亮点

1. 创新性实验方法：开发了全新的圆柱型微孔分布器，通过对比顶部和侧面微孔的成泡性能，揭示了结构设计对气泡生成的决定作用。
2. 高精度数据采集：利用高速相机与3D位移台精确记录了气泡生成与运动的动态过程，为后续研究提供了可靠的实验依据。
3. 理论与实践结合：基于Young-Laplace表面张力公式，定量分析了气泡动力学行为，明确了微气泡生成的物理条件。

七、研究价值

本研究不仅在理论上填补了气液多相体系中微米级气泡生成机理的研究空白，还为实际工业工程中微气泡生成设备的设计与制造提供了技术路线。微气泡分布器的应用潜力可延伸至污水处理、催化反应、船舶减阻等领域，具有广泛的经济与环境意义。