加压鼓泡塔反应器中气液两相流CFD数值模拟

对加压气液鼓泡塔反应器内的气液两相流进行了二维数值模拟,模拟的压力为0.5～2.0 MPa,表观气速为0.120～0.312 m/s;模拟采用了Euler-Euler模型,并耦合了气泡群平衡模型（PBM）预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡的影响。液相湍流采用标准k-ε模型,两相间的作用力只考虑曳力。模拟获得了局部气含率、局部气/液相时均轴向速度及其径向分布等数据,并与实验结果进行比较。结果表明,局部气含率、局部气相速度模拟结果与实验结果吻合较好,局部液相速度径向分布特征模拟结果与文献结果相符。     

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%。     

曳力模型对模拟鼓泡塔气含率的影响

引言 鼓泡塔由于其良好的传热、传质特性而被广泛用于化工、生物制药、冶金等领域.近年来,计算流体力学(CFD)越来越多地被应用于研究鼓泡塔内部复杂的流体力学状态.然而,如何合理地描述气液相间作用及湍流模型是CFD模拟能够准确复现鼓泡塔内复杂流动状态的关键和难点.     

双气泡相群平衡模型模拟鼓泡塔气液两相流

基于对鼓泡塔气泡行为的现有认识,把气泡分成大、小气泡. 首次建立了完整的双气泡相群平衡模型(TBPBM),以预测气泡尺寸,并耦合TBPBM与CFD双流体模型对D=440 mm鼓泡塔进行数值模拟,获得了气泡尺寸体积概率分布、时均气含率与液相速度径向分布、大小气泡相尺寸分布,对部分模拟结果与实验值及文献模拟结果进行了比较. 结果表明,TBPBM-CFD模型预测的时均气含率和液相速度分布与实验结果吻合最好,较SBPBM、平均气泡尺寸模型的模拟结果有明显改善. 与实验值相比,TBPBM模型的整体气含率模拟误差为5.7%,而SBPBM模型和平均气泡尺寸模型的误差分别为27.2%和17.3%.     

鼓泡塔气液两相流不同曳力模型的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型对圆柱形鼓泡塔内气液两相流动进行了三维数值模拟. 通过UDF自定义程序对气相出口边界进行了速度修正,解决了模拟中自由区域内有漩涡的问题;分别使用单一气泡尺寸模型和群体平衡模型(PBM)计算气泡尺寸,并比较其对气含率分布的预测结果,分别采用Schiller-Naumann, Grace和Tomiyama曳力系数模型进行模拟. 结果表明,在全塔径均匀进气的简化条件下,单一气泡尺寸模型不适用,在合适的Hamaker数下,PBM模型中原用于颗粒计算的Abrahamson模型可计算气泡聚并速率;Tomiyama曳力模型耦合PBM模型可更好地描述塔内流动情况,并与文献值吻合良好. Schiller-Naumann模型所得平均气含率与实验值相差约40%,而Grace模型所得湍动耗散比Tomiyama的结果高14.5%,气含率分布与文献值相差16.3%.     

鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟

对圆柱形鼓泡塔反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,模拟的表观气速范围为0.02～0.30 m•s^-1; 模拟采用了双流体模型,并耦合了气泡界面密度单方程模型预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸的影响。液相湍流采用考虑气相影响的修正k-ε模型,两相间的动量传输仅考虑曳力作用。模拟获得了轴向气/液相速度分布、气含率分布、湍流动能分布以及气泡表面面积密度等,对部分模拟结果与实验值进行了定量比较,结果表明模拟结果与实验结果吻合较好。     

鼓泡塔反应器的两级气泡模型参数研究

为了研究鼓泡塔反应器两级气泡模型在高黏度下的适用性,采用动态气体逸出法,在内径为286 mm,总高为7 200 mm的鼓泡塔中考察了液体黏度(1.2×10-3—210.4×10-3Pa·s)和操作条件对塔内总气含率,大、小气泡相含率和大、小气泡上升速度等两级气泡模型参数的影响。结果表明:床层总气含率随表观气速的增加而增大,大气泡相含率受液体黏度的影响较小,受表观气速的影响较大;小气泡相含率随黏度的增加而迅速下降,在高气速时受表观气速的影响较小。大、小气泡上升速度均随液体黏度的增加而降低,但随表观气速的升高有着不同的变化关系:前者明显升高,后者略有降低。大气泡直径随着黏度增大而稍有增大,小气泡直径随着黏度增大急剧减小。     

基于径向力平衡的鼓泡塔二维流体力学模型

提出了一种鼓泡塔二维轴对称流体力学模型,模型中将气泡所受的升力以及湍动扩散力作为形成塔内气含率稳定分布的主要机制.采用Fluent 6.3流体力学软件求解模型,能得到稳定的二维流场,气含率与液速分布与实验值吻合良好,模型能准确反映表观气速(0.12～0.62 m·s^-1)以及塔径(ø200 mm、ø500 mm、ø800 mm)对流型的影响.利用该模型对更大直径鼓泡塔的流动参数进行了预测,结果与文献给出的经验关联式相符.     

鼓泡塔内空气-醋酸体系流体力学参数的CFD-PBM耦合模型数值模拟

通过二维和三维CFD-PBM耦合模型对空气-醋酸体系中流体力学参数进行数值模拟,采用表面张力修正曳力模型与聚并模型,考察了醋酸浓度对鼓泡塔内气含率、气泡大小分布及轴向液速等参数的影响,与差压法、光纤探针和电阻层析成像技术（ERT）测量的实验数据进行了对比,并讨论分析了气含率和气泡直径等流体力学参数的模拟结果。结果表明,醋酸浓度在70%~80%（质量分数）范围内平均气含率存在最大值,且平均气含率的预测值在±10%误差内,三维模拟结果和ERT实验值吻合较好,说明修正后的模型在不同浓度醋酸体系中具有较好的预测性。     

基于气泡群相间作用力模型的加压鼓泡塔流体力学模拟

目前,多数文献报道了冷态加压湍动鼓泡塔内流动特征,并且通过实验数据回归相关经验关联式。然而,此类关联式适用范围有限,难以直接外推到工业鼓泡塔反应器条件。因此,在FLUENT平台上建立了基于气泡群相间作用力的、动态二维加压鼓泡塔计算流体力学模型。通过数值模拟考察了操作压力为0.5~2.0 MPa,表观气速为0.20~0.31 m·s~(-1),内径0.3 m鼓泡塔内流场特性参数分布,并且与冷态实验数据进行比较。结果表明,采用修正后的气泡群曳力模型、径向力平衡模型以及壁面润滑力模型描述气泡群相间作用力,能够较为准确地反映平均气含率和气含率径向分布随操作压力和表观气速变化的规律。     

鼓泡塔中离子液体-空气两相流的CFD-PBM耦合模拟

针对咪唑类离子液体介质,采用Euler-Euler双流体模型与群平衡模型（PBM）耦合的方法,引入由实验结果拟合获得的适用于该介质的气液相间曳力系数模型,对内径0.203 m、高2 m的鼓泡塔中离子液体-空气两相流进行计算流体力学模拟,研究了不同表观气速下塔内气液两相速度场分布、气含率和气泡尺寸分布等流体动力学性质。与现有的相间曳力系数模型Schiller-Naumann模型模拟结果对比,采用本文模型得到的气含率与实验值吻合更好,气泡尺寸分布与实验结果一致。     

气液鼓泡塔的CFD-PBM耦合模拟：离散法与QMOM方法的对比

采用CFD-PBM耦合方法，对高表观气速下的气?液鼓泡塔进行模拟，得到气含率、轴向液速及气泡尺寸。系统性对比求解群平衡方程(PBE)的不同方法：离散法(20 bins)和QMOM(包括四阶QMOM和六阶QMOM)。模拟结果与文献中的实验数据的对比结果表明，离散法和QMOM均能合理预测气含率、轴向液速、平均气泡大小和气泡尺寸分布。但QMOM比离散法节约2~3倍的计算成本。对于QMOM，使用四个矩能准确描述气相的演化。使用四阶QMOM和六阶QMOM得到的结果非常相似。利用QMOM的低阶矩可以快速有效地重构出单峰气泡尺寸分布。     

CFD modeling of flow,macro-mixing and axial dispersion in a bubble column

The flow pattern in a bubble column depends upon the column diameter, height, sparger design, superficial gas velocity and the nature of gas–liquid system. In this paper, the effect of some of these parameters have been simulated using Computational Fluid Dynamics (CFD). The relationship of these parameters with the interphase force terms has been discussed. A complete energy balance has been established. Using this methodology, the flow patterns reported by Hills (1974), Menzel et al. (1990), Yao et al. (1991) and Yu and Kim (1991) have been simulated. Excellent agreement has been shown between the CFD predictions and the experimental observations. The above model has been extended to homogenization of an inert tracer. In order to confirm this model, mixing experiments were carried out in a 200 mm i.d. bubble column. A radioactive tracer technique was used for the measurement of mixing time. Tc-99m (^99m Tc), in the form of sodium pertechnate salt, was used as the liquid phase tracer. Good agreement has been shown between the predicted and the experimental values of mixing time. The model was further extended for the estimation of axial dispersion coefficient (D_L). Excellent agreement between the simulated and the experimental values of the axial dispersion coefficient confirms the predictive capability of the CFD simulations for the mixing process.     

CFD simulation of gas–liquid flow in a high-pressure bubble column with a modified population balance model

In this study, based on the Luo bubble coalescence model, a model correction factor C_e for pressures according to the literature experimental results was introduced in the bubble coalescence efficiency term. Then, a coupled modified population balance model (PBM) with computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate a high-pressure bubble column. The simulation results with and without C_e were compared with the experimental data. The modified CFD-PBM coupled model was used to investigate its applicability to broader experimental conditions. These results showed that the modified CFD-PBM coupled model can predict the hydrodynamic behaviors under various operating conditions.     

Hydrokinetic optimization of commercial scale slurry bubble column reactor

An in‐depth numerical study has been carried out to investigate a high‐pressure commercial scale (2–8 m diameter, 30–40 m in height) slurry bubble column reactor. Typical superficial gas velocities are in the range of 0.5–3 m/s, and overall vapor holdups are in the range of 0.45–0.85. The study revealed that steady compartmental reaction models do not match plant data when reaction time constants are fast. Also, off‐the‐shelf commercial computational fluid dynamics codes do not produce useful information about a reactive column of this scale without first validating the model using data “anchors” from full‐scale operational columns. Important measures include both transient and time‐averaged profiles, integrals, and extrema of vapor holdup and reactants. Reactor designs based on this study show both improved productivity and product quality, allowing record production from existing plants along with substantial capital scope reduction for new plants. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

基于相群平衡模型的浮选气泡聚并模拟

气泡尺寸分布直接影响气浮分离效率,而聚并是导致气浮池内气泡尺寸变化的主要因素。首先用实验方法测量气浮接触区气泡尺寸分布,然后用计算流体力学方法对气泡/水两相流动及气泡聚并进行模拟,最后通过对实验和数值模拟结果进行对比建立基于相群平衡模型的浮选气泡聚并行为的模拟方法,分别运用Luo、Free molecular和Turbulent聚并模型对气浮接触区气泡聚并行为进行模拟。结果表明:Turbulent聚并模型计算所得气泡尺寸分布与实验值最接近,适合模拟接触区气泡聚并;气泡平均直径随高度升高先变大后保持不变,气泡聚并主要发生在接触区中下部;气泡的加入增强了接触区流动混乱程度,上部产生对称涡流,中下部呈由边壁向中心的水平流动。     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上,基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭,如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等;这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制,进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递,如介尺度曳力;另一类用于封闭离散相特征参数的演化,如介尺度群体平衡模型,计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用,并展望了未来发展方向和关键科学问题。