曝氣過程普遍存在于發(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型的反應(yīng)器和分離器內(nèi)，氣體分布器作為此類曝氣裝備的核心內(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(如毫米級氣泡在反應(yīng)器中可停留約幾十秒，而納米級氣泡的停留時間可高達(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、優(yōu)化和放大的一個關(guān)鍵參數(shù)，但受操作條件(過孔氣速、壓力和溫度等)、孔口性質(zhì)(孔口尺寸、潤濕性和接觸角等)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)重依賴于專家經(jīng)驗和現(xiàn)場實驗。近年來，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，無法解釋高溫、高壓條件下小氣泡的產(chǎn)生原因，不能滿足實際工業(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)模型來指導(dǎo)工業(yè)曝氣反應(yīng)器的設(shè)計并為數(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)用場景時存在較大的誤差和風(fēng)險，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)計和放大風(fēng)險，青島能源所綠色反應(yīng)分離與過程強(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，針對氣泡生成時的受力情況進(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達(dá)到平衡，并對曝氣時的各種作用力進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)姆忾]，建立了一個機(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。此外，利用文獻(xiàn)中可收集到的各種曝氣條件的899組實驗數(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)，對曝氣直徑模型進(jìn)行了充分的實驗驗證，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)測新理論模型不僅預(yù)測精度高、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)用場景時的風(fēng)險較低。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)副研究員和中國科學(xué)院過程工程研究所楊超研究員。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項目的支持。