科學家提出可預測工業氣體分布器氣泡初始直徑的數學模型

氣-液及氣-液-固反應器（如發酵罐、攪拌槽和漿態床反應器等）在工業過程中的應用非常普遍，其氣泡尺寸及分布是影響該類反應器性能的關鍵參數之一，也直接影響反應器的操作流型、氣液兩相間的傳質、傳熱等傳遞性質，最終可影響反應速率及選擇性。因此，氣泡直徑是氣-液和氣-液-固反應器設計、優化和放大的一個關鍵參數。為了使反應器中氣泡能均勻分布，氣體分布器是關鍵。近年來，雖然眾多研究人員已經提出了諸多氣泡初始直徑的預測模型，但由於影響因素較多，得到的模型不僅適用範圍小（絕大多數僅適用於層流或較小出孔氣速，而工業操作的出孔氣速往往是其好多倍甚至好幾個數量級），且好多結論存在相互矛盾，不能滿足實際工業應用的需求。亟需一個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）且通用性較好的數學模型來指導工業實踐和數值模擬研究。

為了揭示氣液反應器中氣體分布器的氣泡直徑生成規律，中國科學院青島生物能源與過程研究所多相反應工程研究組在研究員楊超的帶領下展開了詳細的研究。首先，通過對4種不同的氣體分布器孔徑、5種不同工業操作氣速、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進行拍照，得到大量高清氣泡圖片（如圖（a）所示）。然後，結合該研究組自主開發且獲得軟體著作權登記的MATLAB圖像處理程序對大量圖片進行精準識別，建立了不同工作體系及操作條件下氣體分布器初始氣泡直徑的資料庫。最後，經過對大量數據（有216個操作條件，每個操作條件處理20張以上的圖像，每個操作條件包括氣泡數量皆高達數千個）先進行分析及巧妙建模，然後再進行最小二乘法擬合，最終得到了計算簡單、適用範圍廣、準確度高的氣泡直徑預測模型。

此外，該研究組還對可得到的其他研究人員不同操作物性和實驗條件下的數據進行了歸納和整理，並應用該模型進行了進一步的驗證。從圖（b）可以看到，在高達657個數據點中，只有22.70%的數據點的預測誤差超過了20%，僅有0.91%的數據點的預測誤差超過40%，這完全可以滿足工程設計的需要，也進一步證實了該研究提出的數學模型操作範圍廣、可靠性好。

上述研究成果發表在化學工程領域國際期刊Chemical Engineering Science上，該項工作得到國家自然科學基金、中科院先導項目、中國石油能源化工聯合研發中心項目等支持。

(a)氣泡初始生成圖 (b)模型驗證圖

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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