超細氣泡反應體系的傳質特性與介尺度構效調控

《超細氣泡反應體系的傳質特性與介尺度構效調控》是依託南京大學，由張鋒擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：超細氣泡反應體系的傳質特性與介尺度構效調控
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：張鋒
• 依託單位：南京大學

項目摘要

本課題基於鼓泡塔等傳統氣液反應器內氣泡大、傳質面積小、氣體利用率低的問題，結合水力動力學和機械破碎原理，將液氣射流與氣泡破碎器有機結合，構建超細氣泡反應器UBR（Ultrafine bubble reactor），將氣液傳質界面尺度從傳統的毫-厘米級減小至微米級，大幅增強氣液傳質，強化反應，實現介尺度構效調控。綜合運用激冷-MicroCT法和粒子圖像速度儀等技術，測定超細氣泡形態，確定設備結構-氣泡形態-相界面關聯，建立氣泡形態控制模型，同時結合UBR內的傳質與反應研究，建立UBR強化傳質模型和基於超細氣泡反應器的甲苯氧化動力學模型。最後採用非平衡熱力學熵增速率原理，建立氣泡表面積、傳質係數強化因子與系統能耗之間的數學關係，評價超細氣泡發生器各結構、各區域的熵增貢獻，確定體系能耗分布，以指導UBR的結構最佳化和調控設計，並引導氣液反應體系的研究從目前的毫-厘米尺度鼓泡反應器向UBR層次發展。

結題摘要

建立了超細氣泡形態控制模型，明確了超細氣泡尺寸與流體物性、溫度壓力等操作條件與反應器結構等因素的關聯關係。結合噴射反應器下降管內的能量耗散速率的計算，構建噴射反應器氣含率、氣液相界面積的計算模型，形成了超細氣泡噴射反應器內氣泡形態—氣液流動行為—氣含率—相界面積關聯關係。對於CO2-NaOH吸收體系，相同操作參數下，FBJR內反應時間比鼓泡反應器縮短近一倍，液相體積傳質係數大約為鼓泡反應器的10倍。通過氣泡運動和傳質的耦合，明確了氣泡初始直徑對氣泡上升過程中傳質的影響，確定有效傳質高度，從而形成氣泡尺寸與反應器結構尺寸的關聯，獲得反應器內整個液層內的氣含率、氣液相界面和傳質速率，進而形成了氣泡尺寸—能耗和傳質之間的數學關係。項目以甲基芳香烴氧化為模板，開展了甲苯高選擇性氧化體系的研究和套用，分別構建了高醛選擇性體系和高反應速率體系，開發了非酸性溶劑、非金屬催化的高效氧化體系，並設計了連續化放大反應器，以利用超細氣泡傳質調控理論，以檢驗超細氣泡反應體系的工業套用效能。