群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程(population balance equation,PBE)是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展

综述了计算流体力学(CFD)技术应用在搅拌反应器的进展情况。重点对搅拌反应器内流动场模拟的各种处理方法,包括"黑箱"模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法,进行了介绍与评价,指出了各种方法所具有的特点及存在的问题。阐述了搅拌反应器内CFD技术的发展方向,并就国内的研究现状进行了简单概述。     

搅拌反应器中计算流体力学数值模拟的影响因素研究进展

回顾了搅拌反应器中计算流体力学（CFD）数值模拟方法的研究历程,包括搅拌桨叶边界条件法、内外迭代法、滑移网格法、多重参考系法、快速照相法等方法;结合各种模拟方法的特点,对机械搅拌反应器数值模拟过程中的挡板的存在、尾涡的消除、复杂桨叶类型的模拟、网格精度的影响、湍流模型的选择、离散格式的差异等几个因素的影响作了分析。提出了搅拌反应器的CFD数值模拟仍有待深入研究。     

搅拌式反应器的模拟与优化设计

综述了计算流体力学（CFD）技术在搅拌式反应器中的研究进展。着重讨论了搅拌式反应器中流场的模拟方法,包括“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法,并指出了CFD技术的发展方向。在该基础上,对反应器内流场的数学模型进行了介绍与评价。最后提出应用人工神经网络技术与遗传算法,优化生物反应的工艺操作条件,并结合CFD技术,实现生物反应器的结构优化,从而达到对生物反应系统整体优化的目的,以指导实验与工业生产。     

侧进式搅拌反应器内流场的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)技术对某钢铁厂烟气脱硫吸收塔底部浆液池的侧进式搅拌流场进行了数值模拟,研究了搅拌转速和搅拌桨安装角度等因素对3维流场的影响规律.结果表明,在5股流体的相互作用下,反应器内存在一个顺时针的整体大循环流动,相邻搅拌桨之间存在两个小漩涡.随着搅拌转速的增大,中心线上底部的速率迅速增加,当转速大于等于...     

管式搅拌反应器停留时间分布的数值模拟

对一种新型管式搅拌反应器的停留时间分布(RTD)进行了实验研究,运用商业计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行流场模拟及RTD计算,证实管式搅拌反应器的停留时间分布受搅拌转速及入口流量等因素影响,带搅拌装置的管式反应器适当增加转速能使RTD曲线变窄,改善流型和抑制返混;转速过大会使RTD曲线变宽,导致死区的产生,不利于反应器的混合.RTD曲线的数值模拟计算结果与实验结果基本稳合.     

自吸式搅拌反应器的研究进展

自吸式搅拌反应器以搅拌桨的机械搅拌产生的压差吸入气体,可以显著提高传质系数,减少功率消耗,在工业中具有广阔的应用前景。从实验研究、数值模拟、实验研究与数值模拟相结合三方面对自吸式搅拌反应器的研究现状进行了阐述,指出对自吸式搅拌反应器的放大、振动、动平衡进行分析,是指导自吸式搅拌反应器工业应用的有效途径。     

搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究

以工程流体计算软件CFX-4.4为工具,对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行数值模拟,研究了不同操作条件下反应器混合时间的变化规律. 采用pH电极在位监测[H+]的方法实验测定混合时间. 模拟结果与实验测定值之间的误差随反应器容积增大而逐渐减小,对容积为25 m3的反应器误差小于11.6%.     

搅拌反应器中液相混合时间研究进展

搅拌反应器是一种在化工、医药、能源和废水处理等领域应用比较广泛的设备.其中混合时间是表征搅拌反应器内物料混合状况的一个重要参数.本丈从实验测量方法和数值模拟两个方面综述了近50年来对混合时间的研究,并展望了未来混合时间测量方法和数值计算的发展方向.     

二项式分布在种群平衡模型模拟粒度分布中的应用

提出了一种适用于几何网格的子粒子二项式分布函数,并应用于种群平衡模型模拟活性污泥絮凝后的粒度分布。结果表明：与二元分布相比,该二项式分布可以得到更准确的粒度分布和平均粒度模拟值;通过校核二项式分布参数C_p的取值,可以提高粒度分布和平均粒度的模拟精度。相比于二元分布或正态分布只能描述一种类型的子粒子分布,该二项式分布具有较强的适应性,调整参数C_p的取值,可以得到更多可能的子粒子分布;参数C_p还可以表征粒子的破碎方式--较小的C_p值表征粒子具有较强的稳定性,易破碎生成较大的子粒子;较大的C_p值表征粒子具有较弱的稳定性,易破碎生成较小的子粒子。     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

搅拌器内湍流场的CFD模拟研究

采用CFD技术研究了DT和PTU型桨叶搅拌器内的湍流场,结果表明:对于PTU和DT桨叶,理论预测速度场分布规律与LDA测试结果吻合较好,理论预测漩涡的空间位置坐标与实测值完全一致。预测速度值与实测值在桨叶叶尖附近相对误差比较大,在离旋转中心轴线2R/3处竖直线上, 对于DT桨叶搅拌器,CFD预测的速度值和LDA测试值吻合比较好,最大相对误差在11%左右。而对于PTU桨叶,在同样的空间位置上,CFD预测值与测试结果的变化趋势相吻合,速度峰值附近的误差较大,相对误差高达30%左右。     

多相搅拌槽内宏观混合研究进展

多相搅拌槽反应器广泛应用于化工、冶金等过程工业中,而多相混合状态对于多相搅拌槽反应器的设计、优化和放大具有重要意义.混合时间是表征其宏观混合过程的一个重要参数.文中从实验和数值模拟二方面对多相搅拌槽反应器的液相混合时间研究进行综述,对气液、液固、液液、气液固4种体系的多相搅拌槽进行了分类总结,讨论了分散相、桨型、转速、...     

Modeling and simulation of polypropylene particle size distribution in industrial horizontal stirred bed reactors

This work aims at developing a steady-state particle size distribution (PSD) model for predicting the size distribution of polypropylene particles in the outflow streams of propylene gas-phase horizontal stirred bed reactors (HSBR), on the one hand and investigating the effect of the catalyst residence time distribution (RTD) on the polymer PSD, on the other hand. The polymer multilayer model (PMLM) is used to describe the growth of a single particle. Knowing the PSD and RTD of a Ziegler–Natta type of catalyst and polymerization kinetics, this model allows calculating the polymer PSD of propylene polymerization in the HSBRs. The calculated polypropylene PSDs agree well with those obtained from the industrial reactors. The results reveal that both the PSD and the RTD of the catalyst affect the polymer PSD but in different manners. The effect of RTD on the PSD is less significant in the case of a nonuniform size catalyst feed. This model also allows investigating the effects of other process parameters on the polymer PSD under steady-state conditions, including intraparticle mass- and heat-transfer limitations, initial catalyst size, and polymer crystallinity. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2012     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

管道流动体系中水合物颗粒粒径分布特性数值模拟

研究管道内水合物颗粒的粒径分布特性对深水流动安全保障具有十分重要的意义。为模拟管道流动体系中水合物颗粒的粒径分布特性,本文首先建立了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地刻画管内水合物颗粒的流动行为。随后,根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟水合物颗粒初始粒径分布、水合物体积分数、管内流速和水合物颗粒初始粒径大小对管内水合物颗粒粒径分布类型及分布规律的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物防治技术的发展提供技术支持。     

Gas-liquid flow and bubble size distribution in stirred tanks

This work is aimed at investigating the turbulent two-phase flow and the bubble size distribution (BSD) in aerated stirred tanks by experiments and computational fluid dynamics (CFD) modelling. The experimental data were collected using a two-phase particle image velocimetry technique and a digital image processing method based on a threshold criterion. With the former technique, the liquid and the gas phase ensemble-averaged mean and r.m.s. velocities are measured simultaneously, while with the latter the dimensions of the bubbles dispersed inside the liquid are evaluated. On the modelling side, a CFD approach, based on the solution of Reynolds average Navier-Stokes equations in an Eulerian framework for both phases, is adopted. As for the bubble dimensions modelling, besides the mono-dispersed assumption, a population balance method, named MUSIG, with bubble break-up and coalescence models is considered. The BSD and the axial and radial velocity of the gas and the liquid phase are presented and discussed. The outcomes of the computational work are evaluated on the basis of the experimental results.