加压气液鼓泡塔的CFD数值模拟与ERT实验验证

在内径0.3 m,高6.6 m的加压鼓泡塔内,采用计算流体力学(CFD)数值模拟与气泡群平衡模型(PBM)耦合法进行塔内流体力学模拟,并将数值模拟结果与基于电阻层析成像技术(ERT)的实验结果对比分析,将通过ERT实时采集的横截面气含率分布和时间序列图与模拟结果进行比较。结果表明:ERT技术测量结果与CFD计算结果吻合良好,能很好地表示鼓泡塔内气液流动状态,进一步表明ERT技术对加压鼓泡塔内气液两相流进行可视化与实时测量是可行的。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于能量守恒的鼓泡塔双尺度流体力学模型

提出了同时描述鼓泡塔宏观流动及气泡尾涡小尺度湍动的双尺度流体力学模型,其中大尺度剪切流通过经典k-ε模型描述,而小尺度尾涡湍动则由"尾涡温度"传输方程确定。通过在运动方程添加"尾涡压力"源项,构建大小双尺度流体运动的相互作用,解释鼓泡塔内含率非均匀分布的机制。模型将鼓泡塔内的能量耗散分解3种作用机制:大尺度剪切流引起湍动耗散;小尺度尾涡湍动耗散;尾涡与壁面作用的能量耗散,较好地解决了现有鼓泡塔模型能量不守恒问题。模型计算稳定性高,模拟结果与实验结果吻合良好。     

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%.     

基于能量守恒的鼓泡塔双尺度流体力学模型

提出了同时描述鼓泡塔宏观流动及气泡尾涡小尺度湍动的双尺度流体力学模型,其中大尺度剪切流通过经典k-ε模型描述,而小尺度尾涡湍动则由“尾涡温度”传输方程确定。通过在运动方程添加“尾涡压力”源项,构建大小双尺度流体运动的相互作用,解释鼓泡塔内含率非均匀分布的机制。模型将鼓泡塔内的能量耗散分解3种作用机制：大尺度剪切流引起湍动耗散;小尺度尾涡湍动耗散;尾涡与壁面作用的能量耗散,较好地解决了现有鼓泡塔模型能量不守恒问题。模型计算稳定性高,模拟结果与实验结果吻合良好。     

鼓泡塔中水合物法分离混合气体的数值模拟

To develop a new technique for separating gas mixtures via hydrate formation,a set of medium-sized experimental bubble column reactor equipment was constructed.On the basis of the structure parameters of the ex- perimental bubble column reactor,assuming that the liquid phase was in the axial dispersion regime and the gas phase was in the plug flow regime,in the presence of hydrate promoter tetrahydrofuran（THF）,the rate of hydrogen enrichment for CH4＋H2 gas mixtures at different operational conditions（such as temperature,pressure,concentra- tion of gas components,gas flow rate,liquid flow rate）were simulated.The heat product of the hydrate reaction and its axial distribution under different operational conditions were also calculated.The results would be helpful not only to setting and optimizing operation conditions and design of multi-refrigeration equipment,but also to hydrate separation technique industrialization.     

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.     

对二甲苯氧化鼓泡塔反应器的模拟

对二甲苯(PX)鼓泡塔式反应器由反应段和塔顶的脱水段组成.在对反应段流体流动特性分析的基础上,建立了PX液相空气氧化反应的双级气泡模型,用Matlab工具求解模型方程.脱水段则采用化工流程模拟软件进行模拟.在VB语言平台上实现了两段计算的连接,从而完成了整个带脱水段的鼓泡塔式反应器的模拟.模型计算值与工业实际值基本吻合,验证了模型的合理性.     

Simulation of Liquid Velocity Field in a Gas-Liquid Bubble Column

A simplified turbulent model and a modified k-Σ two equation model are proposed todescribe the liquid velocity profiles in a bubble column taking into consideration of the effect of gasdrag force and gas hold-up.In the simplified mode1 the Reynolds equation of motion was adoptedand the turbulent viscosity was calculated from an empirical correlation which was deduced fromour experimental data.The calculated liquid velocity profiles were compared between the proposedmodel and the standard k-Σ two equation model as well as experimental data.The result shows thatthe proposed model simulates and predicts the liquid velocity field most satisfactorily and in goodagreement with the experimental measurement.     

鼓泡塔中气泡群运动的实验与模拟

采用高速摄像法测量了均匀鼓泡流状态下,水以及体积分数分别为20%和40%的甘油-水体系中气泡群的浮升运动,考察了气含率、雷诺数和分布器孔径对气泡尺寸、形状、浮升速率和曳力系数的影响。构建了立方体单元胞模型,并根据雷诺数的不同选取层流和湍流模型,模拟得到气泡的浮升速率和曳力系数与实验值吻合较好。结果表明:随着气含率及液体黏度的提高,气泡群浮升阻力增大,浮升速率减少;随着雷诺数和气泡直径的增加,曳力系数减小,气泡浮升速率增大。单元胞模型能较好地反映气泡群浮升过程中各因素的影响,是处理气泡群运动的有效工具。     

偏心进气式鼓泡反应器内气液流动的大涡模拟

采用气液两相流动的欧拉-欧拉大涡模拟,研究了偏心进气式鼓泡塔内气液两相湍流流动。模拟结果表明：气泡流的运动与气含率的分布与试验结果吻合良好,得到了气液两相湍流瞬态结构形成和演变过程;增大气速使涡结构剧烈变化,液体粘度增高限制了旋涡尺度的发展,反应器高径比减小使涡数量减少。     

分布器对鼓泡塔中气泡直径分布的影响

采用电导探针测定了冷态鼓泡塔中不同气速下的气泡直径及气含率的轴向分布,考察了分布板对鼓泡塔操作性能的影响.结果表明:随着开孔率的减小,从均匀鼓泡区到过渡区的转变提前;在均匀鼓泡区,开孔率对气泡直径影响较小;在过渡区,开孔率大的分布器形成的稳定气泡直径较小、气含率较大;分布板开孔直径越大,形成的初始气泡直径越大,但对轴向气泡直径分布的影响仅限于分布器区.包含分布器影响的气泡直径经验关联式为d/D=140.2Bo-0.5Ga-0.12Fr0.099(h/D)-0.15T-0.34(0.5 cm/s＜ug＜7 cm/s).     

蒸发鼓泡塔反应器的轴向分散模型

Evaporating bubble column reactor (EBCR) is a kind of aerated reactor in which the reaction heat is removed by the evaporation of volatile reaction mixture. In this paper, a mathematical model that accounts for the gas-liquid exothermic reaction and axial dispersions of both gas and liquid phase is employed to study the performance of EBCR for the process of p-xylene(PX) oxidation. The computational results show that there are remarkable concentration and temperature gradients in EBCR for high ratio of height to diameter (H/DT). The temperature is lower at the bottom of column and higher at the top, due to rapid evaporation induced by the feed gas near the bottom. The concentration profiles in the gas phase are more nonuniform than those (except PX) in the liquid phase, which causes more solvent burning consumption at high H/DT ratio. For p-xylene oxidation, theo ptimal H/DT is around 5.     

费托合成浆态床速度分布和浓度分布的模拟及其影响规律

提出了浆态床速度分布的一维流体力学模型和合成气液相浓度分布的二维扩散模型,用于描述浆态床液相返混对费托合成反应的影响。模型计算结果与示范工厂数据符合良好。计算表明,液相返混状态对合成气转化率有显著影响。利用模型考察了空塔气速对合成气转化率和空时产率的影响规律,随气速增加,合成气转化率单调下降,空时产率先增大后缓慢降低;塔径放大后,中心液速和液相循环流率都增大,浆料返混加剧,费托合成反应转化率降低。