曝氣過程普遍存在于發酵罐、鼓泡塔、攪拌反應器、漿態床反應器、污水處理池和精餾塔等多種類型的反應器和分離器內，氣體分布器作為此類曝氣裝備的核心內構件，生成氣泡的直徑及分布直接影響反應器內的氣含率和流型(如毫米級氣泡在反應器中可停留約幾十秒，而納米級氣泡的停留時間可高達6周以上)以及后續的混合、傳質、傳熱和反應等過程，甚至可影響反應速率及反應的選擇性，是決定反應器性能的關鍵參數之一。雖然氣泡直徑是曝氣反應器設計、優化和放大的一個關鍵參數，但受操作條件(過孔氣速、壓力和溫度等)、孔口性質(孔口尺寸、潤濕性和接觸角等)以及流體的物理性質(密度、粘度和表面張力等)等較多因素影響，曝氣反應器內氣泡直徑的確定迄今仍然嚴重依賴于專家經驗和現場實驗。近年來，關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展，也提出了諸多經驗性和理論性的數學模型，但已有數學模型大多僅適用于低速的空氣-水體系，且部分結論不一致，無法解釋高溫、高壓條件下小氣泡的產生原因，不能滿足實際工業生產中高曝氣速率的應用需求。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學模型來指導工業曝氣反應器的設計并為數字化放大提供可靠的邊界條件。
 

　　為了揭示工業曝氣反應器中氣泡直徑的生成機理，進一步消除現有模型外推至其它應用場景時存在較大的誤差和風險，尤其是從機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，進而大幅降低多變、復雜條件下工業曝氣反應器的設計和放大風險，青島能源所綠色反應分離與過程強化技術中心反應分離強化研究組在黃青山研究員的帶領下，針對氣泡生成時的受力情況進行充分分析，假定促進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到平衡，并對曝氣時的各種作用力進行了恰當的封閉，建立了一個機理性的氣泡生成力平衡分析模型進行氣泡生成直徑的理論預測。此外，利用文獻中可收集到的各種曝氣條件的899組實驗數據(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：0.0478-0.08 N/m，曝氣速度：0-81.48 m/s)，對曝氣直徑模型進行了充分的實驗驗證，進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制，闡明了各種工業曝氣條件下各主要作用力的貢獻程度(如圖1所示)，并首次明確了在高溫高壓下小氣泡產生的機制。該研究提出的氣泡直徑預測新理論模型不僅預測精度高、適用范圍廣，而且由于是機理性數學模型，外推復雜應用場景時的風險較低。該研究不僅為工業曝氣反應器(如鼓泡塔、沸騰床、氣升式環流反應器、漿態床反應器等)的科學設計和放大提供了理論指導，還為數值模擬提供了可靠的邊界條件，顯著降低了在復雜場景應用的盲目性。
 

圖1 氣泡生成的初始直徑假設、模型驗證及受力平衡分析
 

　　上述研究成果發表在化學工程領域期刊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、陳阿強副研究員和中國科學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基金、山東省自然科學基金等項目的支持。