鼓泡床反应器流动特性的CFD研究进展

从计算模型和影响因素2个方面系统综述了鼓泡床反应器内气液两相流CFD的研究进展。介绍了与模型建立相关的多相流模型、湍流模型、相间作用力和气泡尺寸模型的选择和适用情况。总结了表观气速、液相性质、反应器尺寸、分布器和内构件等对反应器流动特性的影响。最后指出了目前存在的不足,并对其发展进行了展望。     

不同分布器对鼓泡塔气液两相流影响的CFD模拟

对不同分布器的鼓泡塔反应器内的气液两相流体动力学行为进行了三维瞬态数值模拟.模型采用欧拉-欧拉双流体模型以及RNG κ-ε湍流模型,研究了不同分布器设计对鼓泡塔反应器气液两相流的影响.模拟得到了鼓泡塔内整体气含率、液相速度矢量分布、时均气含率以及时均轴向液速的径向分布等结果,并对部分模拟结果与文献实验结果进行了比较,其结果吻合得较好,证实了随着分布器开孔越均匀则有利于加强流形的非对称性,从而加剧了气液两相径向混合,但对整体气含率的影响不大.     

鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示二维模拟使用RNG k-ε湍流模型、三维模拟使用标准k-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。     

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。     

气液鼓泡塔流体力学研究进展

鼓泡塔是化工领域一类重要的气液接触与反应装置,近些年的研究难点集中在计算流体力学(CFD)放大模拟和内构件流体力学两个方面。今从实验技术、流体力学模型、内构件影响三个方面综述了当前鼓泡塔反应器流体力学的研究进展。首先分析了现有的各种流动测试技术的优缺点,随后评述了气液鼓泡塔的多相湍流模型和各种相间作用力本构关系的表述形式,介绍了本课题组近来提出的气泡径向力平衡模型与双尺度能量平衡模型。最后,总结了当前为数不多的有关竖直列管内构件对流动影响的几种不同的实验结果,给出了分析与解释,并对内构件的模型化与模拟工作进行了介绍。     

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。     

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。     

底吹气连铸中间包内气液两相流的数值模拟

以宝钢集团梅山钢厂1台连铸中间包为原型,进行底吹气中间包水模型研究. 实测结果表明,底吹气在中间包内形成"鼓泡流"形式的流动结构;"鼓泡流"的形成一方面能够破坏中间包内"层流"形式的短路流动,增强混合,另一方面能在中间包内形成"气幕挡墙",有利于夹杂物去除. 针对中间包内气-液两相"鼓泡流"特征,建立了底吹气中间包内气-液两相欧拉多流体模型,模型中考虑了气泡的存在对湍流增强的影响,考虑了相间滑移、气泡浮力及湍流分散力. 采用所建立的模型对底吹气中间包内气液两相流动和混合特性进行了模拟和分析,结果与水模型实测结果一致.     

气液两相鼓泡塔流区及其过渡的混沌分析

应用确定性混饨分析技术,以气液两相鼓泡塔内的压力波动时间序列为分析对象,系统研究了鼓泡塔系统的混饨特性．结果表明,鼓泡塔内气液两相流动系统为混饨动力学系统,混饨特征参数最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数、Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ熵和关联维数Ｄ２等可以有效地表征鼓泡塔的流区及其过渡．混沌分析为定量判别鼓泡塔的流区及其过渡提供了新途径．操作条件对鼓泡塔内气液两相流动的混沌特性影响显著,表现为混沌特征参数值随表观气速增加而增加,随表观液速增加而减小,但是,混沌特性随空间位置的变化不显著．     

多室气升式环流反应器流动特性的数值模拟

在空气-水两相多室气升式环流反应器（MALR）中,采用欧拉欧拉两相流模型对扇形反应室内气液两相流动过程进行了数值模拟研究,考察了上升室的气含率、液体速度随表观气速的变化,最后用实验数据对模拟结果进行了验证.结果表明,某一上升室气含率受该室表观气速的影响较大,与另一上升室表观气速的影响较小;循环液体与上升室流体流动型式有关;气含率和循环液速的模拟值与实验值的平均相对误差分别为5.36％和8.28％;说明了应用数值模拟方法研究MALR流动特性的可行性.     

并行微通道内气液相分配规律

微反应器的集成放大对于微化工技术的工业应用具有重要意义。利用高速摄像仪对4个并行微通道内气液两相流动状况及相分配规律进行了研究,考察了气液两相流量及液相黏度对两相分布均匀性的影响。实验所用液相为含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油溶液,气相为氮气（N₂）。实验观察到了6种典型的两相流型。对各支通道均为弹状流情况下气泡长度和气泡速度的分布规律进行了研究。在一定气相流率下,各支通道气泡长度的相对标准偏差随液相流率的增大而增大,气泡速度的相对标准偏差值随液相流率的增大先升高到一定值然后逐渐减小。气相分配不均匀性随液相流率和黏度的增大而增大,液相分配不均匀性随液相黏度的增大而减小,气相流率的变化对于两相分布影响不明显。研究结果有助于并行微通道的结构设计与优化,以实现更为均匀的气液两相流动分配。     

鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘流动特性与CFD模拟

就痕量精馏中塔板传质效率低、需强化气液传质的问题,研究者提出了新型鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘,通过在筛板上泡沫层高度范围内设置一层破泡装置,打破大气泡,减小气泡体积,强制界面进行更新,从而提高传质效率。采用双欧拉模型分别对鼓泡破泡一体化塔盘和筛板进行了气液流场的数值模拟,并对模型进行了验证。对比两种塔板的计算结果可以看出：在相同操作条件下,破泡装置将大气泡破裂成无数小气泡,使高气含率区域面积较普通筛板进一步增大,且气含率梯度变化更均匀;增加破泡装置后,在相同气速条件下气泡上升速度下降,气体在液层中的滞留时间延长,使鼓泡层高度增加,可显著提高传质效率,且降低了气体雾沫夹带量;破泡装置还明显改善了气相的纵向分布,气含率由塔板底部向上逐渐增大且存在明显分界;破泡装置附近湍动较剧烈,气泡破碎喷出的气体会进一步撕裂液膜,气体破碎作用会抑制气泡聚并,促进界面的快速更新更有利于传质过程的进行。研究结果可对工业塔板设计和优化提供指导。     

新型洗涤冷却室内气液两相的分布特性

采用双头电导探针法对新型洗涤冷却室环隙鼓泡床内气液两相的局部气含率、气泡直径等分布规律进行了实验研究,并用Fluent商业软件对床层内气含率分布进行了模拟计算,模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明：新型洗涤冷却室内部构件对环隙鼓泡床内气液两相的分布特性影响显著,气相分布更加均匀,液面波动更趋平稳,有效地减少了气体带水问题,相比国外技术具有更好的操作弹性。     

G-LISR不同气相入口流速对流场特性的影响

为了提高气液撞击流反应器(G-LISR)的混合性能,找到合适气相入口速度的操作参数,采用ANSYS Workbench中的Geometry模块,基于欧拉·拉格朗日法建立G-LISR气液两相流动数学模型。在加速管对置距离为400mm,液相入口速度为5m/s,三种不同的气相入口速度(10,15,20m/s)条件下,用数值模拟软件Fluent分析模拟出了不同气相入口流速下反应器内流场的分布特征。模拟结果表明:随着气相入口初始流速的增大,反应器内湍流强度有所增加,在压力波动最为剧烈的撞击面中心点处,压力急剧增大。增大气相初始流速,将降低反应器中的液滴的浓度分布,减少了液相在反应器中的停留时间。从能量损耗和气液两相在反应器中的混合效果来看,气相初始流速不宜过大,10m/s为较佳。     

气泡雾化喷嘴泡状流出口喷雾脉动特征

采用实验和仿真方法,对一特定气泡雾化喷嘴泡状流时混合室内的气液两相混合形态以及喷孔出口喷雾脉动特征进行了研究。研究结果表明,泡状流时气泡尺寸呈近似正态分布,气泡尺寸随液相质量流量和气液质量比增大而减小;喷雾形态和喷孔出口气液流动参数存在较大脉动,喷雾锥角脉动超过20°;气泡数量密度小且气泡直径较大时,喷雾平均锥角相对较小,且喷雾脉动现象比较严重;随着气泡数量密度增加,喷雾平均锥角呈现先快速增大后缓慢增大趋势,而喷雾锥角变异系数先快速增大随后逐渐减小并趋于稳定;复杂的流场结构是喷孔内气泡表观形态发生较大变化以及喷孔出口气液流动参数产生较大脉动的主要原因。     

A fluid-dynamically based model of bubble column reactors

A heterogeneous fluid dynamic model has been developed to describe the complex flow structure of two-phase in bubble columns. The equation of continuity and momentum balances form the basis of the model. Coupling of the two phases occurs via an interaction force, deduced by a force balance around a single rising bubble. Multiphase flow mixing processes are taken into consideration by introducing turbulent viscosities of the two phases involved. The Simulation program was extended to reactive system, taking into account the mass balances of a second order gas-liquid chemical reaction as well as the different absorption/reaction regimes. The gas phase concentration profiles show pronounced axial and radial dependences, while the liquid phase can be regarded as a CSTR with respect to the liquid component. With reference to the gaseous component, which is being absorbed in the liquid phase, the degree of back mixing does not show CSTR behaviour as the influence of different absorption conditions in different axial and radial reactor positions is superposed on that of turbulent motion of the liquid carrier of the dissolved gaseous component.     

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.     

多室环流反应器气含率的三维数值模拟与分析

在常温常压条件下,以空气为气相、水为液相,对多室气升式环流反应器内气液两相流动状态进行了数值模拟,采用Euler两相流模型模拟了不同表观气速条件下各室气含率的分布情况。数值模拟计算结果表明,上升室气含率随表观气速的增大近似呈线性增长;各上升室气含率受自身表观气速的影响较大,而受另外一上升室表观气速的影响较小。     

含垂直列管束内构件鼓泡塔的CFD模拟

针对含有密集垂直列管束内构件的气液鼓泡塔,在两相Euler二维轴对称k-ε模型中,分别考虑气相和液相受到的列管阻力。通过引入相应的动量源、湍动源以及耗散源建立带列管内构件的鼓泡塔二维CFD模型。模型能清晰、准确地描述带列管束鼓泡塔中气液流动的特征:"烟囱效应"以及分布器影响区延长。计算得到的气含率以及液速的二维分布在宽泛的表观气速(0.12～0.62 m·s^-1)范围内与实验值相符。