加压大型鼓泡床反应器内大小气泡气含率研究

在内径0.3m、高6.6m的加压鼓泡床反应器内采用床层塌落技术测量床层内的大小气泡气含率实验。由于大小气泡上升速度不同,床层塌落曲线存在一水平段,在此基础上,详细考察了表面张力、粘度、系统压力、表观气速对大小气泡气含率的影响,得出大气泡气含率随粘度和表面张力升高而升高,随压力升高而降低;小气泡气含率随粘度和表面张力升高而降低,随压力升高而升高;并根据质量守恒定理,进行了解释。     

静电效应对有无埋管气固鼓泡床内气泡特性的影响分析

采用基于双流体模型(TFM)耦合静电模型的方法,研究颗粒的静电对有无埋管气固鼓泡床内气固流动特性和气泡特性的影响。首先在无静电场存在的条件下,利用双流体模型对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的流动情况进行模拟并与实验结果进行对比;进一步耦合静电模型,考察静电对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的整体性质和气泡特性的影响。研究结果表明,在无静电场条件下采用双流体模型能较好地预测自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的气固流动状况以及气泡的平均直径和气泡的上升速度。埋管的存在使鼓泡床内气固流动发生强烈扰动,并使气泡的平均直径和气泡的上升速度均呈振荡分布。静电的存在对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的平均固含率影响不大,但对气泡分布规律影响较大,使得自由鼓泡床内气泡数目减少,而埋管鼓泡床下部区域的气泡分布比较集中,上部有大气泡出现。     

二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟

采用高速摄像法测量了0.20 m×0.02 m×2.00 m拟二维床内气泡尺寸分布和流型等变化规律,结果表明,随着表观气速的增大,鼓泡床内依次呈现均匀鼓泡区、过渡区和湍动区3种形式,以气泡个数概率表示的气泡尺寸分布呈对数正态分布。以计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为展开了数值模拟,其结果与实验值比较吻合。研究表明,从多相流理论出发的计算流体力学模拟方法可以用来预报鼓泡床内流型过渡等流体动力学特性。     

γ射线透射技术测量气液鼓泡塔内气含率的轴向分布

引　言鼓泡床反应器以其具有良好的传热、传质、相间充分接触和高效的可连续操作等特点在许多领域得到了广泛的应用 ,如氧化、加氢、烷基化、污水处理等工业过程 .在鼓泡反应器中气体以分散相的形式存在 ,轴向气含率分布是反映气泡在鼓泡塔反应器内运动行为的重要参数之一 .虽然采用了各种测量方法对流体力学行为进行了大量研究[1～ 3] ,取得了一定的研究成果 ,但工业过程往往是在高温高压的条件下操作 ,大部分的测量方法难以适应这种条件 ,所以探求新的测试技术尤为重要 .　　γ射线透射技术不仅用于塔设备的故障检测 ,而且用于其他的石油…     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法（CFD-DEM）对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构（颗粒涡团）的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构（颗粒涡团）的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法(CFD-DEM)对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构(颗粒涡团)的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构(颗粒涡团)的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

双组分颗粒鼓泡流化床内气泡形状参数

在二维双组分鼓泡床实验装置上,采用高速摄像技术,对床内气泡的形状特性进行了研究,考察了不同形状气泡在床内的轴径向分布,探索了颗粒组成和操作气速对气泡形状的影响。结果表明:不同形状的气泡在鼓泡床内呈正态分布,球形度较好的气泡主要分布于床层底部和壁面附近,而细长的气泡则主要集中于床层中心区域。随着气体速率的增加,气泡的球形度和宽纵比降低,气泡形状趋于细长和不规则;随着重组分增加,气泡的球形度增大而宽纵比减小。双组分颗粒鼓泡流化床内气泡球形度的概率密度较单组分的分布更宽,而宽纵比的概率密度分布与添加的颗粒密度有关。     

基于气泡EMMS模型的鼓泡床两相流动CFD模拟

采用两步法将气泡EMMS模型拓展到计算网格层次,用于模拟鼓泡床两相流动,改进的EMMS曳力模型不仅与空隙率有关,且与网格内的速度直接关联.求解是在操作条件下利用宏观稳定性约束条件寻优得到乳化相内空隙率关系式,再用计算网格层次上的微观守恒方程结合乳化相空隙率关系式封闭求解其余结构参数及对应的曳力系数,最后借助用户自定义函数将气泡EMMS曳力嵌入双流体模型中,对含Geldart A类颗粒的鼓泡床内气固两相流动行为进行模拟与验证.结果表明,该模型能较好地模拟鼓泡床内的非均匀流动结构,准确捕捉到上稀下浓的轴向颗粒浓度分布特征,轴向颗粒浓度分布结果与实验值较接近,平均相对偏差为6.4%.床层径向上颗粒分布均呈明显的环-核结构.在不同床层高度(0.6,0.8和1.1 m)处的径向颗粒浓度分布与实验值基本吻合,仅在底部(0.4 m)略低,相对偏差小于14%.而Gidaspow曳力模型在4个床层高度与实验数据差距甚远,相对偏差可达91%.     

浆态床鼓泡反应器(SBCR)的研究进展

文章综述了浆态床鼓泡反应器的研究进展。主要介绍了浆态床鼓泡反应器中流型、相含率、气泡动力学等流体力学特性以及操作条件对流体力学特性的影响,并对浆态床鼓泡反应器的发展提出展望。     

旋流筛板式气固挡板流化床内压力脉动特性

在表观气速Ug=0.04~1.14 m/s时,采用旋流筛板构型的挡板式内构件,通过对比分析旋流筛板式气固挡板流化床与自由床内流动现象、压差脉动标准偏差和压力脉动标准偏差等参数,确定了旋流筛板式气固挡板流化床能有效破碎气泡的流动与操作条件。结果表明,构件下方区域颗粒随表观气速增加而不断转移至构件上方床层,造成构件下方区域密相床层高度持续降低,该区域出现3种流动状态并直接决定构件是否能破碎气泡。当Ug<0.44 m/s时,构件下方区域密相床层料位较高,形成下部为密相床层、上部为密相与大气泡交替通过构件的鼓泡床,此时构件具有抑制气泡生长并破碎气泡的作用,全床压差脉动及压力脉动标准偏差低于相同条件下的自由床;当0.44≤Ug<0.66 m/s时,密相床层料位较低,形成下部为密相床层、上部为单一稀相的湍动床,此时构件不再直接抑制气泡生长或破碎气泡,但构件下方密相床层的存在能降低构件下方及构件上方一定高度内床层的压力脉动强度;当Ug≥0.66 m/s后,密相床层完全消失,形成气体为连续相的稀相流化状态,构件不能破碎气泡、降低床层压力和压差脉动强度。     

BUBBLE SIZES AND HOLDUP STRUCTURE IN BUBBLE COLUMNS DETERMINED BY DYNAMIC GAS DISENGAGEMENT

A new model for determining bubble size distributions in bubble columns by the dynamic gasdisengagement(DGD)technique is developed.It is based on an idea of non-uniform steady statedirstribution of bubble dispersion.Interpreting the axial non-uniformity,this model gives axial gasholdup distributions.If assuming an axially homogeneous dispersion,a radial gas holdup distributioncan be obtained.The Sauter mean diameters or specific interfacial areas for several systems areestimated by the technique.The results for an air-water system agree with those measured by afive-point conductivity probe technique.The obtained axial gas holdup distributions agree well withreported measurements and the radial gas holdup distributions are also reasonable.     

SEBS高黏度溶液气液鼓泡塔的流体力学研究

针对SBS加氢反应器开发与设计,以SEBS-1650己烷溶液为液相,采用差压法和床层塌落法研究了气液鼓泡塔中高黏度溶液的流体力学行为,考察了黏度对低表面张力溶液的气含率、大小气泡气含率、大小气泡上升速度和比表面积等因素的影响。结果表明,随黏度增加,大气泡增多,气含率明显降低,塔内流型处于湍流区;由床层塌落曲线确定鼓泡塔内存在三种类型的气泡：大气泡、小气泡及细小气泡,随黏度增加,小气泡与细小气泡逐渐减少;黏度对大小气泡的上升速度略有影响,比表面积随黏度增加而明显降低。根据实验结果给出了大小气泡气含率与平均气含率的计算公式。     

Analysis of bubble behaviors in bubble columns using electrical resistance tomography

The distribution of gas holdup, the rise velocity of gas bubble swarm and the Sauter mean bubble size are estimated with a small diameter laboratory scale bubble column using electrical resistance tomography (ERT). The theory of gas disengagement based on ERT methods has been developed for estimations of bubble size and bubble rise velocity. The gas holdups of large bubble swarm and small bubble swarm, the distribution of both bubble size are derived through the analysis of gas disengagement based on the differences of the rise velocity of bubble swarm at the cross-section imaged by electrical resistance tomography. Experimental results are in very good agreement with correlations and conventional estimation obtained using pressure transmitter methods. The proposed methodology can be also used as an analysis tool for quantifying and optimizing the performance of other types of complex reaction systems.     

再分布板和径向挡板对淤浆鼓泡床流体力学特性的影响

研究了在以空气-水-石英砂为实验体系的淤浆鼓泡床中加入内构件?再分布板和径向挡板对床层气含率和固含率的影响,并与不加内构件的情况进行了对比. 实验结果表明,再分布板可明显提高床层的平均气含率,且开孔孔径越小,作用越显著;但径向挡板的作用不明显;再分布板和径向挡板均可改善气含率和固含率的轴向分布,且不会大幅度增加压降. 通过对Smith关联式进行修正,得到了带有再分布板的淤浆鼓泡床中床层平均气含率的经验关联式.     

CFD-PBM耦合模型模拟气液鼓泡床的通用性研究

通过对不同操作压力和不同液体性质气液鼓泡床的模拟值与实验数据进行对比，从而验证CFD-PBM耦合模型的通用性。结果表明，CFD-PBM耦合模型在加入了气泡破碎修正因子后，可以很好地预测压力对鼓泡床流体力学行为的影响趋势，当压力升高时，气含率显著升高。不同液体黏度和表面张力条件下CFD-PBM耦合模型的模拟结果与实验结果均吻合较好。随液体黏度增大，气泡破碎速率减小，气泡尺寸分布变宽，曳力显著下降，气含率随之降低。随表面张力减小，气泡破碎速率增大，气泡变小，气含率升高。CFD-PBM耦合模型具有很好的通用性，原因在于考虑了压力、液体黏度和表面张力对气泡聚并、破碎和气液相间作用力的影响。     

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

能量最小多尺度（energy-minimization multi-scale,EMMS）方法已经被应用于气液体系中群平衡（population balance model,PBM）模型的改进。EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子。应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据。结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性。在表观气速为0.16 m·s^-1和0.25 m·s^-1时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%。     

浆态床鼓泡反应器中气含率的分布

为了解浆态床鼓泡反应器中气含率的分布规律,在浆态床鼓泡反应器冷模试验装置中,以空气-液体石蜡-氧化铝微球为试验介质对装置内部的气含率进行研究。利用压差法研究了表观气速、浆液固含量等操作条件对反应器床层总体气含率的影响,利用光纤探针法研究了浆态床反应器不同操作条件对局部气含率的影响,总结了反应器内部气含率的分布规律,并由此对工业浆态床鼓泡反应器的设计进行了研究。结果表明:浆态床反应器的总体气含率随表观气速的增大而增大,固体细颗粒的加入能适当降低总体气含率;在反应器底部,分布器对气体的均布作用明显,但表观气速的增大能够弱化分布器的作用;在反应器的中上部气含率不受分布器的影响,沿反应器径向呈现"中间高,边缘低"的分布趋势;在工业费托浆态床中,表观气速不宜低于0.12 m/s,内过滤系统适宜设置于反应器中上部靠近器壁的位置。     

锥形鼓泡床内气含率特性的研究

本文分析了锥形鼓泡床内流型过渡、平均气含率及气含率轴向分布特性，考察了入口气体速度、静止液体（或淤浆）高度及淤浆浓度的影响，比较了与圆柱床的差异，结果表明对于鼓泡床内气体体积收缩的反应，用锥形床的冷态试验可以较精确地模拟其实际结果。     

DISPERSION OF GAS AND LIQUID IN BUBBLE COLUMNS OF HOMOGENEOUS BUBBLE FLOW REGIME

Mean gas holdup, lateral distribution of gas holdup and axial mixing of gas and liquid were measured in bubble columns of 12 and 19cm i.d. The lateral distribution of gas holdup was strongly dependent on the flow regimes in the column. The axial mixing of liquid in the homogeneous bubble flow regime was much smaller than that in the heterogeneous bubble flow regime, and was not expressed by existing correlations. The axial mixing of liquid in the homogeneous bubble flow and the intermediate flow regime was simulated with a flow model based on the lateral distribution of buoyancy force and the effective viscosity. The axial mixing of gas was larger than that of liquid.     

湍动浆态床流体力学研究（Ⅰ）气含率及其分布规律

对高气速、高固含率、大塔径条件下的湍动浆态床平均气含率和气含率径向分布进行了实验测定,结合工业实验数据,归纳出可用于工业条件的气含率计算关联式,给出了简化的流体力学模型用于气含率分布的模拟。结果表明,浆态床气含率将随塔径增加而降低,固含率与塔径之间存在交互影响;同时,气含率的径向分布也随气速和塔径的增大而改变,存在明显的放大效应,简化模型能够较好地模拟实验结果。