气升式环流反应器数值模拟研究进展

气升式环流反应器是一种结构简单,传质、传热效率高的多相反应器,反应器性能受物性参数和结构参数的影响,由于两相和三相流的复杂性,使得其在工业化设计放大和应用过程中存在困难。论述了气升式环流反应器内相间作用力类别和计算模型,对应用于气升式环流反应器模拟计算的简化模型、两相流模型和k-ε湍流模型进行总结,在分析现阶段气液两相流理论的基础上,明确反应器内不同流动形态下相间作用力、气泡的分散机理、气泡对湍流的影响、流动模拟模型的选取标准,能有效提高气升式环流反应器模拟的准确性及模型的普适性,为反应器的设计放大及传质模拟计算提供更加可靠的理论依据。     

微通道反应器内气液二相流压降的研究

以氮气和去离子水为研究体系,采用混合均质模型,在内径分别为900μm和500μm的圆形微通道中针对微通道反应器内气液二相流的压降进行研究。分析了黏度、气液表观速度等因素对微通道反应器中气液二相摩擦压降的影响。结果表明:均相流模型与分相流模型在微通道反应器内适用性均有限;采用Mc Adams黏度公式对微通道内的压降进行理论计算,其结果与实际测量所得压降值吻合良好;微通道反应器中的气液二相摩擦压降随气液二相表观速度的增大而增大;将实验结果与分相流模型的预测值进行比较,分相流模型中Lockhart-Martinelli关系式不能很好地预测微通道中气液二相流的摩擦压降。     

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.     

气液两相流摆动特性实验的数值模拟

为了给鼓泡塔反应器设计提供依据,运用计算流体力学(CFD)软件模拟了鼓泡塔气液两相流动态行为。采用双欧拉法对鼓泡塔矩形反应器内不同曝气量下气液两相流的摆动特性进行了模拟考察,液相采用标准κ-ε紊流模型,气相采用分散相零方程模型,分析了网格尺寸、时间步长以及相间作用力对模拟结果的影响,模拟的曝气量为42.5~237 m L/s。结果表明,当相间作用力仅考虑阻力时,气液两相流呈现周期性摆动规律;随着气流量的增加,气泡羽流的摆动幅度和频率增大,同时液体的气含率也在增加;模拟的气液两相流摆动频率数据与实验值吻合较好,两者的相对误差为7.2%~12.9%。     

不同黏度下气液体系流体力学行为的PBM模拟

基于Eulef-Euler双流体模型,分别采用均一气泡尺寸和PBM方法对鼓泡床内气液两相流体系中的流体力学行为进行了数值模拟,经与实验结果比较表明,采用PBM方法获得的模拟结果更为准确,表明了PBM方法的优越性.采用PBM模型模拟了不同黏度气液体系中的流体力学行为,获得了包括平均及局部气含率分布、气泡尺寸分布,循环液速和大小气泡的空间分布等流体力学信息,并将模拟结果与相应操作条件下的实验结果进行了比较,吻合较好,说明PBM方法不仅可以用于鼓泡床反应器内气液两相流体系的模拟研究,还能对不同液相黏度下气液体系中的流体力学行为作出正确的预测和描述,为多相流反应器的设计和放大提供了有益的参考.     

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.     

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。     

大型气升环流反应器加置内件时氧传递规律的研究

研究了用结构简单而实用性强的筛板及折皱丝网组件作为内件,来促进大型气升环流反应器中气泡的分散,改善气液两相的混合,从而强化氧传递过程.文中分析了筛板开孔直径与开孔率对氧传递系数的影响,比较了两种内件效果,讨论了最佳结构尺寸.针对高径比大的气升环流系统提出了测定K_La值的平推流动态模型.模型计算结果与实测数据吻合较好.     

搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展

搅拌式气液反应器因其操作灵活、适用性强等优点,在过程工业中应用广泛.综述了采用计算流体力学CFD技术对搅拌反应器内气液两相流动行为的数值模拟研究.Euler-Euler双流体模型作为主要方法用于描述气液两相流动,在其基础上耦合相对简单的气泡数密度函数模型或复杂的群体平衡模型,可较为准确地预测搅拌反应器内气泡尺寸和局部气含率及其分布规律.CFD模拟结果可用以分析和评价不同搅拌桨叶、搅拌桨组合和气体分布器的气液分散性能,对气液反应器的结构优化和过程强化提供了有效手段.     

氢氧催化燃烧流化床反应器流体力学特征的数值模拟

针对氢氧催化燃烧流化床反应器尺寸小、气体密度低并具有放射性、气流量小、催化剂粒度小等特点,改进了欧拉一欧拉多相流模型中的Syamlal-OBrien曳力模型,从而实现了均匀布气氢氧催化燃烧流化床反应器的流体力学模型的模拟,得到了该气固流化床的流化形态,计算结果与文献结果吻合性好,所采用的模型和数值方法具有较高可靠性.     

撞击流微反应器气液传质研究

在T型对撞反应器的基础上,对其结构进行改进,设计了旋流锥型对撞、T型旋撞和旋流锥型旋撞(二次旋转)3种撞击流反应器。用化学吸收法测量了这几种不同结构的微反应器在气液二相逆流接触条件下平均相界比表面积α及液相吸收传质系数kL;进而分析了反应器进口结构、尺寸和流体流量等条件对传质性能的影响。结果表明:旋撞比直撞的传质系数大,二次旋撞的比一次旋撞的传质系数要大;撞击区进口尺寸越小,气液流体的流量越大,反应器的传质系数越大;液相传质系数较常规气液接触设备的至少高1—2个数量级,其传质强化的原因主要源于微反应器内相界比表面积大幅度地增加。     

气升式环流反应器数值模拟方法选择及导流筒高度影响

气升式环流反应器(ALR)是一种结构简单,混合传质效率较高的新型多相流反应器。现已广泛应用于化学工程、生物工程和冶金行业中。开发高效的新型气升式环流反应器具有切实的现实意义。本文通过CFD数值模拟的方法,对反应器内部流动状态进行模拟,并与冷模实验得到的数据对比分析。在数值模拟过程中考察了不同湍流模型以及相间作用力对模拟可靠性的影响。在冷模实验的基础上,利用数值模拟的方法分析了不同导流筒高度对反应器流体力学性能的影响。结果表明所建立的二维CFD模型可以定性地反映反应器内部的气含率分布。升力模型的引入可以使反应器内部气体的径向分布与实际情况更为接近,RNG模型对高雷诺数下反应器内气含率的波动有较好的响应。较短的导流筒可以得到较高整体气含率。     

内循环三相生物流化床反应器中流体的循环速度

通过实验和CFD模拟研究了反应器内气含率和局部阻力系数与操作参数和结构参数的关系. 结果表明,气含率随进气速率Ugr增大而增大,局部阻力系数随反应器升、降流区截面积比Ar/Ad增大而减小,随导流筒直径与导流筒距反应器底高度之比d/h增大而增大,由此建立了升、降流区气含率和导流筒底端局部阻力系数关联式. 在此基础上,采用降流区流体速度模型,研究了局部阻力与沿程阻力对降流区速度的影响,并实验测试不同操作和结构条件下降流区的流体速度. 模型计算与实测速度对比分析表明,根据所建局部阻力系数关联式并考虑沿程阻力影响,可获得与实测结果吻合较好的降流区速度. Ugr取最大值2.29 m/s时,降流区流体速度最大可达0.32 m/s,且Ar/Ad取最大值1.61、d/h取最小值1.75时反应器中流体循环更好.     

超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制

采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。     

下行床反应器内催化裂化过程的CFD模拟

耦合湍流气粒多相流模型和催化裂化集总动力学模型,建立了描述下行床内多相流动和催化裂化过程的反应器数学模型,并利用计算流体力学单元模拟软件CFX4.3对下行床内的催化裂化过程进行了数值模拟及分析.模型能预测出在工业应用中反应器内最受关注的诸多参数,如固含率、相间滑移速度、压降、气固相的加速区以及各组分浓度的分布情况.预测结果表明,气相反应的进行将导致反应器内的气粒流动行为发生较大变化,充分考虑反应与流动行为的耦合十分重要;而反应器床径的增大将导致转化率和各产物收率的下降.     

柱形涡发生器强化撞击流反应器流场特性的数值模拟

利用数值模拟方法分析设有柱形涡发生器的撞击流反应器的流场特性,优化了柱形涡发生器的尺寸与位置参数,考察了柱形涡发生器尺寸与位置参数对撞击流反应器流场结构、速度分布、湍流尺度和混合性能的影响。结果表明,柱形涡发生器直径D=10 mm时,反应器内旋涡数量最多,涡系影响范围最广;D<10 mm时,旋涡数量减少;D>10 mm时,涡系影响范围减小。柱形涡发生器横向间距的增加使反应器内旋涡数量减小,涡系影响范围增大。随着柱形涡发生器横向间距、纵向间距的增加,撞击流反应器径向流速、湍流尺度和混合强度均先增大后减小。当柱形涡发生器横向间距K=5 mm、纵向间距J=70 mm时,撞击流反应器混合效果最佳。     

基于介尺度PBM模型的生物反应器放大模拟及实验研究

对于通气搅拌式工业生物反应器的放大设计而言,精确预测气泡尺寸和体积传质系数非常重要,因此需要建立合适的气泡聚并和破碎模型,以保证反应器的高效操作。以5 L通气搅拌式生物反应器为对象,以气泡尺寸和体积传质系数的实验数据为基准,模拟并考察了两种聚并模型和四种破碎模型对生物反应器内流体流动行为以及传质能力的影响。结果表明,基于介尺度理论的修正聚并模型与考虑黏流剪切的破碎模型组合,所得模拟结果与实验数据吻合最好,这为大型生物反应器的桨型优化提供了模型基础。因为工业化生物发酵通常是在大型生物反应器中进行,搅拌桨型对生物反应器效能至关重要,故本研究在选定最优气泡聚并破碎模型的基础上,通过叶轮末端剪切力相等的放大原则将5 L通气搅拌式工业生物反应器放大到400 m³,同时考察了六斜叶圆盘搅拌桨、非对称式抛物线搅拌桨、布鲁马金式搅拌桨以及六直叶圆盘搅拌桨等桨型组合对气泡破碎能力和气体分散效果的影响,并通过综合对比气含率、体积传质系数等参数,得到400 m³通气搅拌式生物反应器的最优桨型组合。     

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。     

CFD在自吸式加氢反应器流场研究中的应用

目前自吸式反应器广泛应用于二硝基甲苯加氢等多相流反应过程,但由于其内部流动十分复杂,单纯依靠实验很难得到全面准确的研究结果。为了解决这一问题,以自吸式加氢反应器为研究对象,运用计算流体力学(CFD)Fluent建立三维反应器模型,采用欧拉两相流方法,对空心叶轮自吸式反应器与双圆盘叶轮自吸式反应器内的气液两相流动特性进行了研究,将反应器内的流动可视化。在此基础上将空心叶轮反应器内的吸气特性与实验数据进行对比,验证建立的CFD模型,并对比两种反应器内的局部气含率分布与液相速度矢量图分布。结果表明:空心叶轮自吸式反应器吸气特性的模拟结果与实验结果吻合较好;对于单层桨叶自吸式加氢反应器,相同桨径的空心叶轮比双圆盘叶轮的吸气性能与气液分散性能更好。     

滴流床反应器中泡沫流床层压降的实验研究

选用过氧化氢生产用蒽醌工作液体系,完成了滴流床反应器中泡沫流床层压降的实验研究. 通过测定瞬时床层压降,建立了反应器内的流型识别方法,借以研究了在泡沫流和泡沫脉冲流区的床层压降梯度与气液相流速、填料尺寸的关系,并采用Specchia和Baldi提出的经验式对发泡体系泡沫流区床层压降进行了估算. 结果表明,通过实验数据回归,可采用Specchia和Baldi经验式预测泡沫流区的床层压降,最大偏差小于5%.