固定床鼓泡反应器是一种特殊的鼓泡反应器,其中固体颗粒固定不动,气液两相并流向上,液相是连续相,气相是分散相,气相以气泡的形式分散于液相中。气泡尺寸对相间传质至关重要,传统固定床鼓泡反应器中气体分布器产生的气泡尺寸都在毫米级以上,特别是在低气液比条件下不利于气液相间传质。本文提出了一种新型的固定床鼓泡反应器,使用文丘里型气液分布器产生微米级的气泡,利用微气泡比表面积大、上升速度慢和溶解速度快的特点来强化传质。围绕固定床鼓泡反应器中微气泡的形成演化规律这一关鍵科学问题,通过研究单个文丘里气泡发生器和文丘里型气液分布器的微气泡发生性能,阐明了微气泡的形成机制和调控方法;通过研究气泡在液相床层和规整填料中的运动规律以及聚并破碎行为,揭示微气泡的演化机制。主要工作和研究结果如下:1.综合使用高速摄像机测量气泡尺寸分布和CFD模拟,研究了单个文丘里气泡发生器和文丘里型气液分布器的微气泡发生性能,提出了文丘里气泡发生器和文丘里型气液分布器的设计原则,获得了优选的结构参数和操作参数。首先,研究了气速、液速等操作条件和喉管直径等结构参数对气泡Sauter平均直径的影响规律,建立了气泡Sauter平均直径与液相雷诺数、气相雷诺数的经验关联式,发现了低气液比条件下通气量小于抽吸量导致的气泡Sauter平均直径随时间周期性波动的现象。其次,在验证CFD模型准确性的基础上,探讨了操作条件对文丘里气泡发生器内速度分布和压力分布的影响规律,发现提高液速或降低气速使得压力轴向分布变陡,液体对气体的剪切破碎作用增强,有利于生成微气泡。模拟还发现,在低气液比条件下,扩大段内液体出现偏流现象,与实验结果一致,且随着气液比的增大,偏流现象逐渐消失。最后,考察了床型、文丘里气泡发生器间距、气液分布器倾斜角度对文丘里型气液分布器出口气泡尺寸的影响。研究发现,增大管间距有利于减少气泡间的聚并,推荐的管间距不小于78mm,且文丘里型气液分布器具有较好的抗塔板倾斜性能。2.在对液相床层中不同尺寸的气泡进行受力分析的基础上,综合使用高速相机和粒子轨迹测速法(PTV),实验揭示了液相床层中不同尺寸气泡的运动规律以及不同液相高度床层内气泡的运动规律和分布规律。研究发现,气泡在液相床层中的运动轨迹按照气泡尺寸可以分为三类:对于直径小于1 mm的微米级气泡,其运动轨迹为一条直线;对于直径为1.0～5.5mm的气泡,其运动轨迹是一条周期性振荡的S型或者"之"字型曲线;对于直径大于5.5mm的气泡,其运动轨迹是一条偶尔出现摆动的曲线。文丘里气泡发生器产生的气泡以气泡束的形式进入液相床层,且气泡束的宽度随着床层高度、气量和液量的增加而增大。在靠近文丘里气泡发生器的区域,气泡运动主要受液体的运动状态控制,不同尺寸的气泡表现出相似的运动行为;在远离文丘里气泡发生器的区域,气泡行为主要由气泡自身控制。3.利用高速相机研究发现了气泡在规整填料床层内具有的3种主要聚并机制和4种主要破碎机制,以及微气泡和常规气泡在规整填料床层内行为的差异性。其中,气泡在规整填料床层聚并机制主要有:降速聚并、压缩聚并、粘壁聚并,破碎机制主要有:剪切破碎、撞击破碎、加速破碎、拉伸破碎。而且,随着填料间距的增大,气泡表现出的聚并机制和破碎机制种类逐渐增多。在间距为3mm的规整填料床层内,与填料间距尺寸相当的常规气泡表现出聚并、破碎、形变和自由运动等多种行为,而微气泡以聚并和自由运动为主,很难发生破碎和形变。此外,催化剂类型和尺寸对气泡的破碎聚并行为具有重要影响。与空床时相比,装填催化剂以后,床层内气泡Sauter平均直径显著增大,床层对微气泡具有明显的聚并作用。随着球形颗粒粒径的增大,气泡Sauter平均直径先增大后减小,当球形颗粒粒径为3 mm时床层内形成的气泡Sauter平均直径最大。选择较大粒径的球形颗粒有助于保持微鼓泡状态。