气升式振荡环流反应器的数值模拟和结构优化

气升式振荡环流反应器（ARLR）作为一种新型的气升式环流反应器,能够有效地提高反应器的气含率和传质系数,并已得到生物发酵实验的验证。本文通过CFD的手段研究了反应器内的流动和传质状况,并利用CFD模拟和响应面分析相结合的方法,优化了反应器的结构参数,如高径比（H/D）、升液区降液区面积之比、导流筒高度等。经过实验测量,优化后的气升式振荡环流反应器与传统的气升式环流反应器相比,气含率提高了32%以上,传质系数提高了11%以上。结果表明,气升式振荡环流反应器作为生化反应器有着非常广阔的应用空间。     

再分布板对环隙气升式反应器内多相流动的影响

为了考察环流反应器放大过程中再分布板对其内部多相流动的影响,采用欧拉双流体模刑模拟了再分布板小同高度的布置对环流反应器内气含率,循环液速,固体颗粒分布等参数的影响,并与部分冷模实验结果进行了比较,两者结果一致结果表明,再分布板高度的增加会使气升反应}州为气含率旱现先增后减的趋势,并导致导流管内的固含率上升。此外,小同高度的再分布板对环流反器内整体气含率及循环液速的影响小大结合CFD模拟和实验结果,优化了环流反应器内再分布板的设计,从而为实现强化环隙气升式环流反应器内多相流动、传递、反应等过程提供了一定的指导意义     

气升式内环流反应器的气含率研究

建立了气升式内环流反应器的冷模实验装置,以空气-水两相系统为研究对象,采用压差法测定了反应器降流区的气含率和升流区气含率,采用体积膨胀法测定了反应器总体平均气含率.通过改变导流筒直径、高度及底部封头形状,考察了结构参数对气含率的影响;通过改变通气量和上清液高度考察了操作参数对气含率的影响.建立了气含率的数学模型,并将试验数据拟合,得到不同结构反应器的模型参数.     

螺旋气升式内环流反应器流动特性

以水和空气两相系统为研究对象,建立螺旋气升式内环流反应器冷模实验装置,采用压差法测定导流筒升流区气含率,用电导法分别实测了升流区液相速度和反应器混合时间,研究螺旋气升式内环流反应器的流动特性,并与传统气升式内环流反应器的流动特性进行对比研究。结果表明,加螺环后反应器气含率明显增加,平均增幅为20%,升流区液相表观速度减小,混合时间增加。     

锯齿形导流筒对环流反应器流体力学特性的影响

为提高中心气升式环流反应器的气液分布效果,采用RNG k-ε湍流模型、欧拉-欧拉双流体模型,分别对传统环流反应器和一种锯齿形导流筒环流反应器的流动规律进行了数值模拟研究,以探究锯齿形导流筒齿数和齿宽对流场分布的影响。模拟结果表明,与传统中心气升式环流反应器相比,锯齿形导流筒结构可以有效减少反应器上部中心区域的小速度漩涡,增强气液分布及传质效果;此外,随着导流筒齿数和齿宽的增大,反应器内流场分布特性及循环液速呈现先变好后变差的变化趋势,分别当齿数等于80及齿宽等于65mm时,气液分布及传质效果达到最优。     

新型气升式环流反应器流场数值模拟

利用CFD软件ANSYS 14.0及欧拉-欧拉多相流模型,模拟了一种采用微孔曝气器的新型气升式环流反应器的气液两相流动,得到反应器内气含率和循环液速等参数的详细分布。模拟结果表明：新型气升式环流反应器的平均气含率与气量成正比关系;气量为2.5 m3/h时具有更高的循环液速。     

CFD在气升式环流反应器结构优化上的应用

利用CFD软件ANSYS 14.0及欧拉-欧拉多相流模型,模拟不同高径比、环隙比下气升式环流反应器的气液两相流动,得到反应器内循环液速和气含率等参数的详细分布。对比模拟结果表明,高径比为7,环隙比1时,反应器具有最优流化状态。CFD在气升式环流反应器的结构优化具有明显的指导意义。     

气升式三相内环流生物反应器内流体力学和传质性能的实验研究

本文通过实验研究了气升式三相内环流反应器在非牛顿流体中的流体动力学特性和传质性能.考察了表观气速、导流筒与反应器截面积之比、固体粒子加入量及CMC溶液浓度等操作条件对气升式三相内环流生物反应器中导流筒与环隙内液体循环速度、气含率、固含率及气-液体积传质系数等流动与传质特性参数的影响.     

多相气升式环流反应器局部相含率和环流速度

气升式环流反应器流动特性研究大多都局限于流动参数的平均特性研究,涉及气-液-固系统流动特性的研究也较少。在200×2500mm气升式环流反应器内,实验研究了空气-水两相及空气-水-玻璃珠三相体系中局部气、固相含率以及浆(液)相环流特性等随操作条件以及液、固相物性的变化规律。结果表明:1两相体系导流筒中截面平均气含率轴向分布有局部极大值,而固体和乙醇的加入使得气含率轴向分布平缓;2两相体系循环液速在导流筒中呈径向抛物分布,在环隙分布较均匀,加入固体和乙醇后对循环速度分布和大小影响不大;3三相体系中导流筒内固含率沿轴向升高呈增大趋势,环隙内轴向分布均匀;导流筒内、外固含率径向分布均不均匀,以近壁处为大;加入乙醇后对固含率分布影响不大。     

气升式环流反应器在不同体系下的循环液速和局部气含率

在气升式环流反应器中,分别研究了空气—水、空气-0．1％乙醇水溶液和空气-水-活性污泥体系中的循环液速以及气含率随操作条件的变化规律。实验结果表明,循环液速随着表观气速的增加而增大,不同体系中的循环液速差别不大;导流筒内、外不同高度处的局部气含率均呈自下向上增大的趋势,且导流筒内部气含率高于导流筒外部的气含率。体系的聚并特性对平均气含率和局部气含率有较大影响。     

气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉两流体模型研究气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响,预测了环己烷氧化反应器内单环结构、三环结构、五环结构的气体分布器时反应器内液相速度分布、气含率分布、液相循环速度以及液相微观混合特性.模拟结果表明,在等量的进气流量下,气体分布器环数增加,液相速度分布和气含率分布更趋均匀;气体分布器环数增加,液相推动力增加,从而使得液相循环速度增加,液相的宏观混合效果增强;气体分布器环数增加,导流筒内外的平均气含率增加.随机游走模型模拟结果表明,气升式环流反应器与普通鼓泡床反应器对气体分布器结构要求不同.     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明：导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0< r/R< 0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明:导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0r/R0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

中心气升式气固环流反应器中的能耗分布

基于能量平衡,推导出计算中心气升式气固环流反应器中不同区域内气固混合物流动能耗的理论模型,测量了不同区域内固相颗粒速度、气固混合物密度及床层压降,并根据实验数据确定出相应的模型参数,模型计算与实验结果吻合较好. 模型计算表明,中心气升式气固环流反应器内环隙区和气固分离区的能耗分别占反应器总能耗的近40%和30%,颗粒环流受到的阻力主要集中在这2个区域;而导流筒区及分布器影响区能耗较小,共占总能耗的近30%. 随导流筒区表观气速增加,环隙区能耗占总能耗的比重减小,气固分离区能耗所占比重增大,导流筒区和分布器影响区能耗基本保持不变. 气体分布器的安装位置对反应器内能量消耗的分布影响较大,中心气升式气固环流反应器内流动阻力更小.     

分布器结构对环流反应器气含率分布的影响

采用κ-ε二方程模型和欧拉多相流模型,对一种单筒单级气升式气液环流反应器内的湍流气液两相流进行了全尺寸的数值模拟研究,考察了采用3种不同气体分布器时反应器内气含率和流速分布的细节.模拟结果表明不同结构的分布器对总体气含率和内筒中的两相速度分布有很大影响,因而对气含率分布和气液两相接触效果有较大影响,从而对反应过程产生影响.单环分布器产生的气液两相接触效果较差,对于反应过程很不利.对于大直径的环流反应器推荐使用多环分布器.计算所得的整体气含率与实测的整体气含率进行了对比,吻合较好.     

环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性

针对中心气升式气固环流反应器在工业化中暴露出来的问题,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器,并建立了一套大型的冷态实验装置（装置总高4．56m,环流反应器筒体外径300mm）来考察环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性。操作条件为环隙区表观气速0.10-0.54m／s,导流筒区表观气速0.059-0.200m／s。分别测量了环流反应器环流段内颗粒的密度和速度,基于实验数据对催化剂颗粒的运动速度和环流推动力进行系统分析。结果表明,环隙区颗粒分布形式为“中心稀两边浓”;环隙气升式气固环流反应器内,颗粒环流速度随着环隙区表观气速的增大而增大,而环流速度梯度逐步减小。随着导流筒高径比H／D的增大,环隙气升式气固环流反应器的环流推动力增大而颗粒环流速度减小。     

表观气速对气升式环流反应器性能的影响

利用计算流体力学(CFD)数值模拟方法.采用Euler法双流体模型研究了表观气速对气液两相气升式环流反应器的液体循环速率和气含率的影响.实验结果与数值模拟结果吻合较好.结果表明.气含率和液体速率在反应器内分布不均匀,气含率在相同的径向位置变化很小,液体速率随着表观气速的增加而增加.     

分布孔大小对环流反应器内流动影响数值模拟

采用k-ε二方程模型和欧拉多相流模型,对一种气升式环流反应器内的湍流气液二相流进行了全尺寸的数值模拟研究,考察了采用具有不同大小分布孔气体分布器时反应器内气含率和流速分布的细节。模拟结果表明采用小分布孔的反应器内的平均气含率较高,气液二相接触效果较好,对于反应过程有利。计算所得的整体气含率与实测的整体气含率进行了对比,吻合较好。     

环隙气升式气固环流反应器内床层密度的实验研究

针对工业化中气-固环流反应器存在的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器. 在一套冷模装置内系统地考察了局部床层密度分布. 实验中实现了稳定、连续的环隙气升式环流,环流推动力随着环隙区表观气速的增加而增加,随着导流筒区表观气速的增加而减小,当导流筒区表观气速为0.2 m/s时,颗粒环流方向改变为中心气升式. 受结构特性的影响,催化剂密度在导流筒区和环隙区沿径向的分布具有一定的不均匀性,在底部r/R≤0.47区域颗粒未能充分流化,床层密度接近820 kg/m3,在底部0.47≤r/R≤1.0区域颗粒流化较好,床层密度小于450 kg/m3;随着环隙区表观气速由0.2 m/s增加至0.54 m/s,环隙区、导流筒区平均密度分别降低约70和33 kg/m3,随着导流筒区表观气速由0.06 m/s增加至0.2 m/s,环隙区平均密度增加约90 kg/m3,导流筒区平均密度降低约33 kg/m3.     

带分段导流筒的气升式环流反应器的研究

带分段导流筒的气升式环流反应器是具有独特的两相流动和传质特性的一种多相反应器。本文用水－空气和亚硫酸钠（１０％－空气体系研究了分段导流筒环流反应器的气含率ε、氧消耗速率ｒｏ２、传质比表面ａ、以及体积传质系数ｋＬａ随表观气速变化规律，并与一段导流筒的环流反应器进行了比较。实验采用的表面气速下（０－６ｃｍ／ｓ），导流筒分段的环流反应的εｒｏ２，ａ和ｋＬａ有显著提高，平均比一段环流反应器高出１０％以上。