甲烷生物转化膜反应器的CFD模拟

针对甲烷气体在发酵体系中的传质效率偏低,提出了将中空纤维膜反应器应用于甲烷生物转化体系的方法。使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真软件FLUENT对中空纤维膜生物反应器内部流场进行CFD仿真模拟,探究纤维束长度和通气速率对反应器内气含率和液环速率的影响。结果表明,增大纤维束长度可有效提高反应器内的甲烷气含率和液环速率,从而促进气液两相进行高效传质。最终,通过CFD仿真模拟研究,获得了可用于高效生物转化甲烷生物反应器的最优纤维束长度和通气速率的设计区间,为中空纤维膜反应器的设计和实现甲烷高效生物利用提供研究基础,具有重要的指导意义。     

三段进气环流反应器气泡参数与传质特性研究

多级环流反应器通常在段间安装多孔分布板或其它内构件,增加了流体流动的阻力,导致环流液速降低。为此,今在多级环流反应器研究的基础上,设计了一种新型三段进气、多级环流反应器,利用新通入气体的抽提力和喷射力,缓解了段间的流动压降,并加速气泡的破碎;重点考察了进气量在各段中的分配比例对分段进气多级环流反应器流体力学的影响。应用多通道电导探针气泡特征参数测量仪和溶解氧分析仪分别测量气泡参数(气含率、气泡速度、气泡直径)及体积传质系数。实验结果表明:三段同时进气时,气泡直径明显减小,气液接触比表面积增加显著;体积传质系数远高于多级环流反应器,最大值约为多级环流反应器的2.3倍。根据修正双膜理论,计算得到了三段进气时体积传质系数的经验关联式,较好地反映出体积传质系数的变化规律。     

液体中气—液射流特性的研究

在气-液两相喷射式装置中气体或/和液体是经由单个(或多个)喷咀射入塔内的。本研究用频闪摄影技术对气、液向上共同喷射时液体中的气-液射流特性进行了实验研究,并建立了气泡直径分布函教及射流特征尺寸的关联式。同时,对射流两相区内两相的流动用一两相模型进行模拟,考察了喷咀直径、初始条件、液体压头和气泡直径对器内两相流动的影响。     

气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响

使用欧拉两流体模型研究气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响,预测了环己烷氧化反应器内单环结构、三环结构、五环结构的气体分布器时反应器内液相速度分布、气含率分布、液相循环速度以及液相微观混合特性.模拟结果表明,在等量的进气流量下,气体分布器环数增加,液相速度分布和气含率分布更趋均匀;气体分布器环数增加,液相推动力增加,从而使得液相循环速度增加,液相的宏观混合效果增强;气体分布器环数增加,导流筒内外的平均气含率增加.随机游走模型模拟结果表明,气升式环流反应器与普通鼓泡床反应器对气体分布器结构要求不同.     

用CFD研究气升式内环流生物反应器下降管中的流体力学性质

在对气升式内环流生物反应器内部流动分析基础上,全面考虑反应器下降管中气泡的并聚破碎、气液两相间相互作用和滑移等, 建立了能描述反应器下降管中复杂流动的CFD数学模型. 运用CFX-4.4对模型方程进行求解, 通过求解得到了包括气液两相速度场、局部气含率分布等详尽信息,并就液相流动速度与相应条件下的PIV测试结果进行了比较,主体流动速度的偏差在20%以下,且两者总的变化趋势一致.该模型能较好地预测反应器下降管内的复杂流场.     

微反应器结构对气液二相分布规律的影响

采用高速摄像仪对3种结构的微反应器内气液二相流型、流动分布及空隙率进行了研究。微反应器采用内置分布实现气液二相分布,3个内置分布器分布角度依次为60°,90°,120°。采用各支通道内气泡长度、气泡速度的相对偏差,相对标准偏差值体现气液二相分布的不均匀程度,考察了分布器结构对各支通道内空隙率的影响。结果表明:随内置分布器分布角度的增大,在实验范围内,各支通道气泡长度分布均匀程度减小,气泡运动速度分布均匀程度增大。各支通道空隙率变化与内置分布器分布角度及支通道与主通道的相对位置有关。     

搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展

搅拌式气液反应器因其操作灵活、适用性强等优点,在过程工业中应用广泛.综述了采用计算流体力学CFD技术对搅拌反应器内气液两相流动行为的数值模拟研究.Euler-Euler双流体模型作为主要方法用于描述气液两相流动,在其基础上耦合相对简单的气泡数密度函数模型或复杂的群体平衡模型,可较为准确地预测搅拌反应器内气泡尺寸和局部气含率及其分布规律.CFD模拟结果可用以分析和评价不同搅拌桨叶、搅拌桨组合和气体分布器的气液分散性能,对气液反应器的结构优化和过程强化提供了有效手段.     

微型气液固三相等温微分浆态床反应器的优化

针对气液固三相浆态床催化反应中,传递、反应、催化剂的原位表征均比较复杂的问题,为了有利于气、固相均匀分散于液相和反应温度在反应器中实现等温,通过对气液固三相反应工艺特性和反应器性能要求的分析,对微型气液固三相浆态床反应器进行了优化。根据微型浆态床对气液固三相反应分析的要求,采用图像法研究了分布器为G1、G2、G3,砂板直径为2、2.5、3 cm反应器中的流体力学性能特征,考察了气体流速、温度、反应器直径及气体分布器对气含率、气泡尺寸、气泡上升速率以及气泡分布的影响,并进行流体动力学模拟计算,确定了微型浆态床反应器的直径为2 cm,气体分布器为G3砂板的反应器结构,该反应器可以应用于反应过程中间态及液体产物生成过程的测试。     

气泡循环流动型膜生物反应器流体力学特性研究

以气升式环流反应器和膜生物反应器为基础,提出气泡循环流动型膜生物反应器的概念.利用气液循环流动减缓膜污染,通过充压渗透的操作方式,降低水处理能耗与设备投资.实验研究了下降管内中空纤维膜填充率对反应器的平均气含率、循环液速等流体力学性能的影响,使用模拟体系考察膜分离性能. 研究结果表明:循环流动的气液两相能够明显缓解膜污染,提高膜渗透通量;利用充压渗透的操作方式可以实现膜分离过程,同时加压操作会导致平均气含率减小,循环液速降低.在理论分析基础上,导出平均气含率、循环液速随操作气速和压强的变化关系.     

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。