加温加压下CFD-PBM耦合模型空气-水两相流数值模拟研究

计算流体力学与群体平衡模型（CFD-PBM）结合可有效地模拟鼓泡塔内流体行为,较准确地预测流场、相含率以及局部气泡尺寸分布。以直径100 mm、高1.3 m的加温加压鼓泡塔为模拟对象,在系统压力为1 MPa、表观气速为0.08~0.24 m/s、温度为30~160℃条件下系统地考察了空气-水体系的表观气速、温度以及固含率对平均气含率、大小气泡气含率、气泡直径和气泡尺寸分布等参数的影响。结果表明,平均气含率的模拟结果和实验值在10%的误差范围内吻合较好;温度的变化主要影响了塔内气泡的聚并和破碎,并用聚并破碎的机理解释了温度对其流体行为的影响。     

采用电阻层析成像技术测量气液加压鼓泡塔局部气泡参数

在内径0.3 m,高6.6 m的加压气液鼓泡塔反应器中,采用电阻层析成像技术(ERT)研究了空气-水体系中气泡群平均上升速度、局部气含率及其径向分布。在表观气速0.119~0.312 m s 1,压力0.5~2.0 MPa,考察了表观气速、压力对气泡群上升速度、局部气含率及其径向分布的影响。实验结果表明,鼓泡塔中局部气含率随着表观气速与压力的增大而增大,其径向分布呈现出中心高边壁低的分布特征,但整个截面的分布并非严格对称,在r/R=0~0.3,气含率变化较小,且极大值出现在该范围内;气泡群的局部上升速度随着表观气速的增大而增大,但是随着压力的增大而减小。     

三相连续环流反应器中氧的液相传质过程

在空气-水-玻璃珠三相连续操作环流反应器中,利用动态溶氧方法研究了表观气速(Ug=0.01~0.13 m/s)、进料浆速(USL=0.001~0.011 m/s)、浆相质量固含率(es=0~30%, w)和固相颗粒大小(dp=59, 200 mm)对环流反应器内氧的液相传质性能的影响. 结果表明,在考察范围内,环流反应器传质系数随表观气速增大而增大,受进料浆速变化的影响较小,随浆相固含率增大呈现先增大后减小的趋势,但在高固含率下(es≥10%, w)的影响不显著;随固相颗粒粒径增大而减小. 同时得到了液相体积传质系数的经验关联式.     

旋流气升式环流反应器中含醇物系的局部与总体气含率研究

在内径0.090m,高2.4m的旋流气升式环流反应器中,以空气为气相,分别以水,φ(异丙醇)=1%、5%、10%,φ(正丁醇)=1%和φ(乙醇)=1%的水溶液为液相,在表观气速为0.46~1.86cm/s,研究了在不同底部间隙、翅片数量、φ(异丙醇)、醇的类型条件下局部和总体气含率随表观气速的变化情况。结果表明:所有物系,表观气速一定,上升区局部气含率在轴向高度上基本不变,只随表观气速的增加而增加;随着φ(异丙醇)的增加,气含率随之增加。对于体积分数均为1%的乙醇、异丙醇、正丁醇水溶液的两相物系,总体气含率乙醇物系最大,正丁醇次之,异丙醇的最小。在表观气速小于0.931cm/s时,导流筒上固定的翅片数越少气含率越高,而在表观气速大于0.931cm/s时,则有相反的结果;其它条件相同时,底部间隙越小气含率越大。     

流化床-提升管耦合反应器内固含率的轴向分布及流动发展

在耦合流化床反应器大型冷模实验装置上,考察了不同表观气速下FCC颗粒在耦合流化床内截面平均密度的轴向分布. 结果表明,反应器轴向固含率可分为底部流化床区域和上部提升管区域. 前者的密相区平均固含率随表观气速增大而减小;后者的平均固含率随表观气速Ug增大而增大,Ug<0.58 m/s时固含率分布均匀,Ug=0.70~1.04 m/s时提升管出口出现约束返混区(>8.62 m),Ug>1.16 m/s时提升管底部出现密度重整区(3.82~4.57 m)、加速平稳区(4.57~8.62 m)和出口返混区(>8.62 m). 确定了耦合反应器内提升管区域截面平均固含率的影响参数,并利用实验数据回归了平均固含率的轴向分布经验模型,计算值与实验值吻合较好.     

三相MALR中气、固含率研究

在一个内径17cm,高100cm;内置壁厚0.7cm的十字隔板制成的多室气升式环流反应器(MALR)中,一室表观气速在0.2545~1.018cm.s-1、三室表观气速在0.2545~3.8173cm.s-1范围内,研究了空气-水-K树脂颗粒(颗粒当量直径1.5±0.2mm、密度为1.0316g.cm-3)的三相物系中两个上升室表观气速对4个室的气含率、固含率的影响。结果表明,某一上升室的气含率随着该室气速的增加而增加,该室的固含率却随着该室气速的增加而下降;某一上升室的气含率和固含率均与另一上升室的气速无关;下降室气含率、固含率只与其前一级上升室气速有关,与下一级上升室气速无关。     

加压环流反应器气含率分布实验研究

在Φ600mm×6000mm的中心气升式不锈钢环流反应器内,选用水、氮气、氩气作为实验介质,在连续进料的操作条件下,表观液速UL为0.008m·s-1,表观气速Ug范围是0.02~0.12m·s-1,在体系压力0~2.0MPa的压力条件下进行实验,测量了各个区域的气含率。结果表明环流反应器各个区域的气含率各不相同,但均随空塔气速以及体系压力的增加而增大。相同的工况下,添加正丁醇的体系气含率明显高于纯水体系,对于确定体系的环流反应器,循环液速不会随体系压力和空塔气速增大而一直增大,当体系压力和空塔气速大过某一个值时,循环液速基本不再变化。     

鼓泡塔细胞反应器流体力学与传质特性

以超大规模细胞培养为目的,构建了与细胞培养体系十分接近的冷模实验体系,系统地研究了微载体(Cytodex I)、细胞保护剂(Pluronic F68)和消泡剂(Antifoam C)对鼓泡塔反应器中气、固、液三相流流体力学和氧传质特性的影响。在0.04～0.17cm/s 表观气速范围内采用 50 μm 孔径的烧结金属滤芯曝气时,在含有 0.5 和 1.0 g/L 的 Pluronic F68 的磷酸盐缓冲溶液冷模体系中,气含率与表观气速成线性增加关系,而气泡直径受表观气速影响较小;相同气速下的冷模体系与空气-水体系相比,气含率显著提高,气泡直径明显减小。在所研究的表观气速范围内微载体均可全悬浮,对气含率有一定增强,但微载体浓度为14%～20% 时对气泡大小几乎无影响。消泡剂用量在 1.60×10^-4时,可以有效抑制泡沫的形成。添加剂对液膜传质系数 k_L有较大负面作用,抵消了小气泡带来的传质面积增加,总的体积传质系数k_La 变化不大。Euler-Euler 多相流计算流体力学模型与拟稳态实验数据吻合较好,可用于指导反应器放...     

多级搅拌塔气液体系的轴向混合和气含率

采用改进的Rushton六直叶涡轮桨,在内径为80 mm的多级搅拌塔中,以氮气-水体系为研究对象,考察了液速、气速和搅拌桨转速对连续相轴向混合和气含率的影响.结果表明:在液速1.38×10-4～4.42×10-4 m/s、气速5.53×10-2～17.68×10-2 m/s和转速1.67～13.33 r/s条件下,轴向扩散系数随着液速和气速的增加而增大,随着搅拌桨转速的增加先减小后增大;平均气含率随着液速、气速及搅拌桨转速的增加而增大.根据实验数据得到了连续相轴向扩散系数和平均气含率的关联式,其计算值与实验值误差较小,分别小于15%和10%.     

旋流气升式环流反应器中甘油水溶液物系上升区气含率

在内径0.090 m、高2 m的旋流气升式环流反应器(HALR)中,表观气速为0.37～3.9 cm/s,以空气为气相,分别以水、6个质量分数(w=0.5%～15%)的甘油水溶液为液相,研究了在不同底部间隙、翅片数量及翅片角度时,上升区平均气含率随表观气速的变化规律。结果表明,所有物系上升区平均气含率都随表观气速的增加而增加;在低表观气速(u_g1.2 cm/s)时,不同翅片角度及翅片数量对上升区平均气含率影响小;在高表观气速(u_g1.2 cm/s)时,上升区平均气含率随翅片数量增加而增大、随翅片角度减小而增大;底部间隙小(b=1.25、2.4 cm)的上升区平均气含率相接近,并都小于底部间隙大(b=3.5 cm)的上升区平均气含率;上升区平均气含率随w(甘油)的增加而增加;建立了气含率与w(甘油)的关联式,关联式的预测值与实验值吻合较好,平均相对误差为5.54%。     

采用电阻层析成像技术测量三相外环流反应器中相含率的实验研究

结合电阻层析成像技术和差压法,以平均粒径为3 mm的聚氨酯为固相,空气为气相,水为液相,对f90 mm的气升式三相外循环环流反应器中局部相含率及其径向分布进行了研究. 结果表明,在实验范围内,增大固相体积分率不影响气含率在上升管中的分布特征;固含率随着表观气速的增大先增大,当表观气速ug=0.09 m/s时反应器达到充分发展段,固相已充分循环;上升管中气固虚拟相的径向分布呈中心高、边壁低的特征,但并非严格对称,在r/R=0~0.2间出现极大值;下降管中气固虚拟相在径向上分布较为均匀. 本工作证实了两种技术相结合测量气液固三相相含率的可行性.     

Hydrodynamics and mass transfer in a novel multi-airlifting membrane bioreactor

A novel multiple-airlifting membrane bioreactor is built with four sintered stainless steel tubular filters as the risers and downcomers. This work investigates the hydrodynamics including gas holdup, liquid velocity, liquid circulation and mixing times by aerating different number of risers (one to three) at superficial gas velocities of 0.02-0.07 m/s The mass transfer phenomena, including oxygen mass transfer (k_La) and effective molecular diffusivity of lactic and acetic acids through the walls of tubular filters, are also investigated. It is found that gas holdup in individual risers increases linearly with the superficial gas velocity, and performs independently under multiple-airlifting conditions. The vessel-based gas holdup and liquid velocity in downcomer(s) increase with aeration rate of individual risers as well as the number of risers. The liquid velocity in downcomers reaches an upper limit (about 0.6 m/s), because of flow resistance or energy loss of liquid circulation. The oxygen mass transfer coefficient (k_La) is primarily affected by gas holdup and the number of risers, and to some extent influenced by liquid velocity. The novel airlifter configuration results in good liquid mixing in the bioreactor that quickly reaches new steady state in response to a sudden pH change from acid addition.     

Gas holdup in a two-phase vertical tubular reactor at high pressure

Gas holdup in a tubular reactor was measured at pressures from 5 to 14 MPa at 300°C using a differential pressure cell. The effects on gas holdup of gas density, liquid superficial velocity and gas superficial velocity were studied using vacuum tower bottoms from a Venezuelan feedstock with 95.1 wt% +524°C material. Hydrogen was used at superficial gas velocities from 0.7 to 2.0 cm/s. The feed density at 15°C (0.1 MPa), 300°C (5.57 MPa) and 400°C (13.9 MPa) was measured and showed a linear decrease with temperature. Increased gas density at a constant temperature of 300°C increased the gas holdup at all superficial gas velocities. An increase in the liquid flow rate from about 0.04 to 0.1 cm/s did not affect the gas holdup.     

Experimental determination of gas holdup and volumetric mass transfer coefficient in a jet bubbling reactor

The hydrodynamics and mass transfer characteristics of a lab-scale jet bubbling reactor(JBR) including the gas holdup, volumetric mass transfer coefficient and specific interfacial area were assessed experimentally investigating the influence of temperature, p H and superficial gas velocity. The reactor diameter and height were 11 and 30 cm,respectively. It was equipped with a single sparger, operating at atmospheric pressure, 20 and 40℃, and two p H values of 3 and 6. The height of the liquid was 23 cm, while the superficial gas velocity changed within 0.010–0.040 m·s~(-1) range. Experiments were conducted with pure oxygen as the gas phase and saturated lime solution as the liquid phase. The liquid-side volumetric mass transfer coefficient was determined under unsteady-state oxygen absorption in a saturated lime solution. The gas holdup was calculated based on the liquid height change, while the specific interfacial area was obtained by a physical method based on the bubble size distribution(BSD) in different superficial gas velocities. The results indicated that at the same temperature but different p H, the gas holdup variation was negligible, while the liquid-side volumetric mass transfer coefficient at the p H value of 6 was higher than that at the p H = 3. At a constant p H but different temperatures, the gas holdup and the liquid-side volumetric mass transfer coefficients at 40℃ were higher than that of the same at 20℃. A reasonable and appropriate estimation of the liquid-side volumetric mass transfer coefficient(kla) in a pilot-scale JBR was provided which can be applied to the design and scale-up of JBRs.     

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。     

多级气液鼓泡塔中筛板结构对气垫层高度及局部气含率的影响

采用压差法和双电导探针法考察了筛板结构对f300 mm多级鼓泡塔中筛板下侧气垫层高度和筛板上下两处局部气含率的影响. 结果表明,气垫层高度随表观气速ug增加而增加,随开孔率降低而增加,当ug从0.04 m/s增加到0.24 m/s时,气垫层高度从0.01 m增加到0.06 m. 而局部气含率的径向分布与普通鼓泡塔相似,都随ug增加而增加,随径向位置r/R增加而减小;筛板的引入使局部气含率在轴向方向发生较大变化,ug=0.027 m/s时,筛板上下两侧的局部气含率均在0.05左右,但ug增加到0.11 m/s时,下侧气含率则普遍增加到0.3~0.35,而上侧则在0.25~0.3之间,下侧普遍比上侧气含率高.     

高长径比三相内环流反应器中细颗粒相含率和循环液速的分布研究

在高径比为22的三相内环流反应器中,在常温常压下以空气-水-石英砂为物系,研究了在不同粒径下上升区固含率、下降区固含率和上升区循环液速随表观气速的变化规律和不同粒径下轴向固含率的分布情况,以及在固体体积分数不同的条件下,平均气含率和上升区气含率随表观气速的变化情况。结果表明:当粒径(ds)≤0.3 mm时,上升区固含率随表观气速的增加呈平缓变化趋势,下降区固含率随表观气速的增加而增加;当0.3 mm相似文献   

高长径比环流反应器中气、固含率的轴向分布研究

在高长径比(H/D=22.2)内环流反应器中,常温常压下,以空气-水-石英砂为物系,研究了表观气速和固体装载量对平均气含率、下降区气含率、上升区固含率、下降区固含率的影响,以及上升区气含率、固含率随轴向高度的分布规律.结果表明:平均气含率、下降区气含率随着表观气速的增加而增加,随ω(固体)增大而下降,ω(固体)≤2.6...