湍动浆态床流体力学研究（Ⅲ）垂直列管内构件的影响

浆态床反应器内部往往安装有密集的竖直列管换热内构件,有关列管束对流场分布的影响还少有研究。本文在Φ500 mm×5000 mm的大型冷模实验装置中测定了安装不同密度列管束时的速度分布和气含率分布。实验表明,列管的存在一方面会显著提高浆料轴向速度,促进大尺度流体循环,另一方面也抑制了液体与气泡的径向湍动,使速度和气含率的径向分布更不均匀,造成液体与气体轴向返混加剧,增大了有列管束的浆态床反应器的放大风险。在低气速湍动鼓泡条件下,列管加入造成的“烟囱效应”将更为显著。     

Hydrodynamics of turbulent slurry bubble column (Ⅳ)Modeling and simulation of bubble column with vertical pipe bundles

工业浆态床反应器一般都安装有密集的换热列管,列管束的存在使得速度和气含率的径向分布趋于陡峭,形成“烟囱效应”,目前对此还缺乏合适的流体力学模型进行定量描述。本文提出两点新思路以解决列管束的模拟问题：一是将密集列管束的影响作为体积源项而不是边界条件来考虑,在标准k-ε方程中增加与列管阻力相关的动量源、湍动源、耗散源本构关系;二是采用气泡群的径向升力和湍流扩散力平衡方程确定气含率径向分布。新模型中引入的阻力系数由流体力学文献给出,只有两个径向力和耗散参数需实验确定。模型计算的气含率和液速分布在宽泛的条件下与实验测量值符合良好,能够定量描述“烟囱效应”以及内构件参数对流动的影响。     

Studies on hydrodynamics of turbulent slurry bubble column (Ⅴ)：Modeling of the bubble column with multi-layer screens

水平布置的多层筛网是最简单的阻尼型内构件,用于改善流动分布。在安装多层筛网的?500×5000鼓泡塔冷模装置中进行了流速分布与气含率分布测定。实验表明,网格型内构件可以有效抑制塔中心区过快上升的流速,改善其分布。网孔越小,流动阻尼效果越明显,同时平均气含率也会有所增大。提出了与列管内构件相似的一维流体力学模型,将网格内构件对流体的阻尼效果作为体积源来考虑,湍流耗散方程中的参数值c3=1.0,c4=1.3与列管束内构件略有不同。模型计算与实验数据符合良好,能够定量描述网格型阻尼内构件对流场的影响。     

湍动浆态床流体力学研究(Ⅳ)带垂直列管束的浆态床流体力学模型与模拟

工业浆态床反应器一般都安装有密集的换热列管,列管束的存在使得速度和气含率的径向分布趋于陡峭,形成“烟囱效应”,目前对此还缺乏合适的流体力学模型进行定量描述.本文提出两点新思路以解决列管束的模拟问题:一是将密集列管束的影响作为体积源项而不是边界条件来考虑,在标准k-ε方程中增加与列管阻力相关的动量源、湍动源、耗散源本构关...     

湍动浆态床流体力学研究(Ⅱ)轴向浆料速度的径向分布

对高气速、大塔径条件下的湍动浆态床轴向速度进行了实验测定,提出了简化的一维流体力学模型。实验结果表明：固含率对浆料速度的径向分布影响不明显;采用中心速度和塔径作为参考量,则不同条件下的量纲1流速分布相似;高气速下中心速度随塔径的变化可近似用Nottenkamper关联式描述。提出了一维流体力学模型预测浆态床液速分布,模型计算结果与实验数据符合较好,模型较好地反映了浆态床反应器内液速分布随表观气速、固含率及塔径变化的规律。     

带阻尼内构件鼓泡塔的研究(Ⅰ)——内构件对流速分布的影响

针对大型鼓泡塔径向流速分布不均易导致中心区域气体短路的问题,提出了在中心区域布置阻尼内构件改善流速分布的方案。冷模实验表明,阻尼内构件的加入可以有效地改善中心区域气-液流速分布,阻尼内构件尺寸对流速分布有显著影响。引入了阻力密度函数来表征阻尼内构件的影响,采用拟均相流动模型模拟含阻尼内构件的塔内流速分布,计算结果与实验测量值大体相符。     

鼓泡塔列管传热系数的测量与估算

在φ500 mm×5000 mm的冷模实验装置中,使用自制传热探头,对无内构件的空塔和安装31根竖直换热列管的鼓泡塔内列管传热系数进行了测量.实验表明,列管传热系数随表观气速的增加而增大,传热系数沿径向呈抛物型分布,垂直列管内构件的加入使得传热系数的径向分布变得更为陡峭.基于表面更新理论,结合鼓泡塔内气含率和液速分布的测量及计算结果,提出了计算传热系数的数学模型.该模型既可以用于空塔的局部传热系数与平均传热系数计算,也可以用于安装列管束的局部传热系数与平均传热系数计算.模型计算值与实验数据符合良好,最大相对误差为5.62％.     

湍动浆态床流体力学研究(Ⅴ)-带多层水平网格的浆态床流体力学模型

水平布置的多层筛网是最简单的阻尼型内构件,用于改善流动分布。在安装多层筛网的?500×5000鼓泡塔冷模装置中进行了流速分布与气含率分布测定。实验表明,网格型内构件可以有效抑制塔中心区过快上升的流速,改善其分布。网孔越小,流动阻尼效果越明显,同时平均气含率也会有所增大。提出了与列管内构件相似的一维流体力学模型,将网格内构件对流体的阻尼效果作为体积源来考虑,湍流耗散方程中的参数值c3=1.0,c4=1.3与列管束内构件略有不同。模型计算与实验数据符合良好,能够定量描述网格型阻尼内构件对流场的影响。     

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。     

气体分布方式对带列管内构件的鼓泡塔流动规律的影响

在带列管内构件的鼓泡塔内测量了4种不同布气方式下的气含率和液速径向分布,并与无列管内构件的空塔中的分布进行了比较。结果表明:中心布气条件下气含率与液速的径向分布比空塔更为陡峭;环隙及近壁布气时呈现出环隙高、两边低的马鞍形分布;均匀布气时径向分布较空塔更为平坦。空塔内气体分布器的影响是局部性的,充分发展段在塔内占主要部分;而在列管塔中气体分布器的影响是全局性的,气含率与液速的初始分布决定着其全塔分布。在带列管的大型鼓泡塔中难以观察到充分发展段的存在,因此,气体分布器的设计具有比空塔更为重要的意义。     

气体分布方式对带列管内构件的鼓泡塔流动规律的影响

在带列管内构件的鼓泡塔内测量了4种不同布气方式下的气含率和液速径向分布,并与无列管内构件的空塔中的分布进行了比较。结果表明：中心布气条件下气含率与液速的径向分布比空塔更为陡峭;环隙及近壁布气时呈现出环隙高、两边低的马鞍形分布;均匀布气时径向分布较空塔更为平坦。空塔内气体分布器的影响是局部性的,充分发展段在塔内占主要部分;而在列管塔中气体分布器的影响是全局性的,气含率与液速的初始分布决定着其全塔分布。在带列管的大型鼓泡塔中难以观察到充分发展段的存在,因此,气体分布器的设计具有比空塔更为重要的意义     

Characteristics of vertical sharp-edged orifice discharge（Ⅲ）Effect of geometry on orifice discharge coefficient

通过实验,分别考察了相同流通截面积下,圆形、椭圆形、正方形、矩形和三角形等不同几何形状的垂直锐边典型“大孔”和“小孔”的自由出流特性。所得孔流系数曲线形态基本相同,孔流系数值略有差异,圆孔最高,三角形最低,说明孔几何形状对孔流能量损失有一定影响,但不是关键结构参数,不会从根本上改变孔流机理。其能量损失差异可根据孔口的水力半径、锐角界面张力以及非圆形孔射流的穿透现象加以解释,藉此对前期的圆孔流动机理进行了补充。此后,为了详细考察孔形状对孔流速度分布和能量损失的影响,采用计算流体力学软件Fluent 6.2对其进行了模拟,模拟流场说明孔形状对孔前流动影响区的主体范围和速度分布基本没有影响,孔前流动的机械能损失仍可采用半球形模型研究,进一步说明不同孔形状的孔流机械能损失差异是入孔以后造成的。     

列管束内构件对鼓泡塔流动发展的影响

在Φ500 mm×4000 mm的大型冷模实验装置内考察了列管束内构件对鼓泡塔流动发展的影响。以空气-水为工作体系,分别采用电导探针和Pavlov管测量了有、无列管的鼓泡塔内不同轴向高度的气含率和液体流速径向分布。实验表明,在安装密集列管束的鼓泡塔内也存在一个充分发展段。与空塔不同的是,列管束的存在使分布器影响区显著延长,从空塔的约两倍塔径高度增至约四倍塔径高度,在冷模装置中占据塔体积的50%以上。在实验条件下,鼓泡塔高径比或液位高度对分布器影响区大小没有明显影响。     

鼓泡浆态床反应器中传质对费托合成的影响

采用建立数学模型的方法在鼓泡浆态床反应器体系中讨论了传质对费托合成反应行为的影响.通过改变传质系数定性探讨了费托合成反应体系传质控制和动力学控制,并给出了其三维示意图.在传质控制区,重点讨论了传质的变化对费托合成反应产物分布的影响.结果表明,在传质控制区,传质增强,产物烯烷比增大,甲烷选择性降低.传质增强,将促进重组分的生成.