CFD在气升式环流反应器结构优化上的应用

利用CFD软件ANSYS 14.0及欧拉-欧拉多相流模型,模拟不同高径比、环隙比下气升式环流反应器的气液两相流动,得到反应器内循环液速和气含率等参数的详细分布。对比模拟结果表明,高径比为7,环隙比1时,反应器具有最优流化状态。CFD在气升式环流反应器的结构优化具有明显的指导意义。     

Liquid circulation hydrodynamics in an external loop airlift reactor

The radial profiles of axial liquid velocity and gas hold‐ups are investigated in the riser of a pilot plant scale external loop airlift reactor (ELAR) using a modified Pavlov tube and differential pressure technique. The experimental investigation reveals that there exist two different kinds of liquid circulation structures in an ELAR, which has rarely been reported in the literature, namely internal liquid circulation, which exists only in the riser and external liquid circulation, which circulates through the downcomer. A power–law relationship is used to correlate the gas hold‐up and superficial gas velocity, which gives good agreement with experimental data. Experiments for axial liquid velocity profiles are analysed in analogy to a model described for a conventional bubble column. The results predicted by the model are in excellent agreement with the experimental data obtained under various operating conditions. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering     

CFD analysis of two‐phase turbulent flow in internal airlift reactors

The hydrodynamic performance of three internal airlift reactor configurations was studied by the Eulerian–Eulerian k–ε model for a two‐phase turbulent flow. Comparative evaluation of different drag and lift force coefficient models in terms of liquid velocity in the riser and downcomer and gas holdup in the riser was highlighted. Drag correlations as a function of Eötvös number performed better results in comparison to the drag expressions related to Reynolds number. However, the drag correlation as a function of both Reynolds and Eötvös numbers fitted well with experimental results for the riser gas holdup and downcomer liquid velocity in configurations I and II. Positive lift coefficients increase the liquid velocity and decrease the riser gas holdup, while opposite results were obtained for negative values. By studying the effects of bubble size and their shape, the smaller bubbles provide a lower liquid velocity and a gas holdup. The effects of bubble‐induced turbulence and other non‐drag closure models such as turbulent dispersion and added mass forces were analysed. The gas velocity and gas holdup distributions, liquid velocity in the riser and downcomer, vectors of velocity magnitude and streamlines for liquid phase, the dynamics of gas holdup distribution and turbulent viscosity at different superficial gas velocities for different reactor configurations were computed. The effects of various geometrical parameters such as the draft tube clearance and the ratio of the riser to the downcomer cross‐sectional area on liquid velocities in the riser and the downcomer, the gas velocity and the gas holdup were explored. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering     

大颗粒三相环隙气升式环流反应器流体力学行为

研究了大颗粒体系气升式环流反应器的流体力学行为,考察了表观气速和颗粒质量分数对床层膨胀高度、循环液速和固含率分布的影响。实验结果表明,按颗粒的运动状态不同可以将反应器内的流动分为3个区域,即固定床区域、膨胀床区域和循环床区域,各流动区域内的流动行为存在显著差异。随着颗粒质量浓度的增大,起始流化气速和最小循环气速均显著增大。基于三相流化床的流化模型和环流反应器的特点建立了相应的数学模型,对大颗粒三相气升式环流反应器的起始流化气速和最小循环气速进行了预测,模型预测值与实验测量值吻合良好。     

多相气升式环流反应器局部相含率和环流速度

气升式环流反应器流动特性研究大多都局限于流动参数的平均特性研究,涉及气-液-固系统流动特性的研究也较少。在200×2500mm气升式环流反应器内,实验研究了空气-水两相及空气-水-玻璃珠三相体系中局部气、固相含率以及浆(液)相环流特性等随操作条件以及液、固相物性的变化规律。结果表明:1两相体系导流筒中截面平均气含率轴向分布有局部极大值,而固体和乙醇的加入使得气含率轴向分布平缓;2两相体系循环液速在导流筒中呈径向抛物分布,在环隙分布较均匀,加入固体和乙醇后对循环速度分布和大小影响不大;3三相体系中导流筒内固含率沿轴向升高呈增大趋势,环隙内轴向分布均匀;导流筒内、外固含率径向分布均不均匀,以近壁处为大;加入乙醇后对固含率分布影响不大。     

Characterization of an airlift reactor with helical flow promoters

The helical flow promoter (HFP), inserted in the downcomer of an airlift reactor (ALR), generates a helical flow pattern in the circulating gas–liquid (solid) mixture. Data on the fluidization capacity, gas holdup, liquid velocity and mass transfer rate for two- and three-phase systems with two different carboxymethylcellulose solutions collected in a 58 L ALR-HFP are presented and compared with those of common pneumatic reactors. Generally, an increasing solid concentration led to a slight decrease in gas holdup and liquid velocity but to a considerable decrease in mass transfer rates. Insertion of HFPs produced a significantly enhanced fluidization capacity of solid particles compared to the common systems.     

气升式振荡环流反应器的数值模拟和结构优化

气升式振荡环流反应器（ARLR）作为一种新型的气升式环流反应器,能够有效地提高反应器的气含率和传质系数,并已得到生物发酵实验的验证。本文通过CFD的手段研究了反应器内的流动和传质状况,并利用CFD模拟和响应面分析相结合的方法,优化了反应器的结构参数,如高径比（H/D）、升液区降液区面积之比、导流筒高度等。经过实验测量,优化后的气升式振荡环流反应器与传统的气升式环流反应器相比,气含率提高了32%以上,传质系数提高了11%以上。结果表明,气升式振荡环流反应器作为生化反应器有着非常广阔的应用空间。     

两级气液内环流反应器内气含率和循环液速

基于多釜串联可以有效减小返混的原理,通过引入特殊设计的级间构件构建了一种新型的两级内环流反应器。实验研究了级间构件形式、表观气速、表观液速和气液分离器对每一级内气含率和循环液速的影响。实验结果表明,表观气速对反应器二级(上一级)中上升管与下降管气含率之差和循环液速影响较大,而对一级(下一级)的影响较小;各级内上升管和下降管的气含率均随表观液速的增大而减小,但影响程度较小。基于推动力和阻力平衡建立了预测反应器中每一级的气含率和循环液速的流体力学模型,模型预测值与实验结果吻合较好。     

曳力模型和湍流模型对内环流反应器数值模拟的影响

研究了曳力模型和湍流模型对气升式内环流反应器流体力学参数的影响,进一步证实了DBS-Local曳力模型在气升式内环流反应器中的适用性。结果表明：曳力模型决定了是否可以模拟出下降管中的气体;而曳力模型和湍流模型共同作用,决定了气含率模拟结果的准确性。Schiller-Naumann、Tomiyama、Grace、Ishii-Zuber这4种曳力模型均无法预测出下降管含气这一现象,而DBS-Local曳力模型能够模拟出下降管中的气体。DBS-Local曳力模型与standard k-ε mixture湍流模型组合,对气含率的预测值与实验值较为接近,而与RNG k-ε dispersed湍流模型组合,对轴向液速的预测值与实验值更为接近。     

多层带式干燥机风速场的CFD模拟及检验

多层带式干燥机箱内风速分布不均匀是导致干燥效率低、干燥不均匀的主要原因。对多层带式干燥机风速场进行了实验研究，建立了多层带式干燥机箱的CFD理论模型，对其风速场进行了数值模拟，并与实验测试结果进行对比，认为用CFD方法模拟多层带式干燥机箱内风速场是可行的。     

高长径比气液固三相内环流反应器的流体动力学

在高径比为22的三相内环流反应器中,常温常压下,根据动量平衡原理建立了空气-水-石英砂三相物系的循环液速模型,并建立了上升区气含率、上升区固含率和底部换向区阻力系数模型;考察了在不同颗粒粒径下,表观气速对上升区固含率和液体循环速度的影响。结果表明:当粒径(ds)≤0.3mm时,上升区固含率随表观气速的增加变化呈平缓趋势,当0.3mmds≤1.2mm时,上升区固含率随表观气速的增加而呈先下降后增加的趋势;不同粒径下上升区循环液速均随表观气速的增加而增加;气含率、固含率和循环液速的计算值和实验值吻合较好,其平均相对误差分别为6.32%、4.56%和11.97%。     

表观气速对气升式环流反应器性能的影响

利用计算流体力学(CFD)数值模拟方法.采用Euler法双流体模型研究了表观气速对气液两相气升式环流反应器的液体循环速率和气含率的影响.实验结果与数值模拟结果吻合较好.结果表明.气含率和液体速率在反应器内分布不均匀,气含率在相同的径向位置变化很小,液体速率随着表观气速的增加而增加.     

气升式内循环反应器的数值模拟和结构参数

采用Euler-Euler双流体模型对内循环反应器(高1240 mm,直径165 mm,导流筒高590 mm)进行数值模拟,考察了表观气速、导流筒结构(导流筒内径比Dt/D,底隙高度)对反应器内上升区、下降区流体力学参数(气含率、液体速度)的影响. 结果显示,表观气速、导流筒内径、底隙高度对反应器气含率、液体速度有很大影响,随表观气速增加,反应器上升区、下降区气含率都增加,导流筒内径比为0.58时更易实现气液循环,底隙高度为30 mm时反应器内下降区气含率、气液速度都最小;气液分离器角度越大,进入下降区的气体越多,当气液分离器角度为45o时,能更好地实现气液循环.     

三相多室气升式环流反应器气含率的研究

在1个4流道的三相多室气升式环流反应器中,以空气-水-K树脂为体系,采用压差法测量气含率,考察了上升室气体表观速率、固体装载量对上升室与下降室气含率的影响.结果表明:上升室的气含率随着该室气体表观速率增加而增加,而随着另一上升室气体表观速率增加而略有降低;下降室的气含率随着该室气体表观速率增加呈现3种变化趋势,而随着另...     

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.     

分布孔大小对环流反应器内流动影响数值模拟

采用k-ε二方程模型和欧拉多相流模型,对一种气升式环流反应器内的湍流气液二相流进行了全尺寸的数值模拟研究,考察了采用具有不同大小分布孔气体分布器时反应器内气含率和流速分布的细节。模拟结果表明采用小分布孔的反应器内的平均气含率较高,气液二相接触效果较好,对于反应过程有利。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。     

内循环气升式环流反应器生物降解苯酚废水过程的计算传质学模拟研究

利用计算传质学方法对内循环气升式环流反应器（ILALR）内生物降解苯酚废水过程进行了研究。采用欧拉多相流模型结合RNG k-ε湍流模型对ILALR中气-液两相流动过程进行模拟,采用气泡群平衡模型（PBM）对反应器内气泡的尺寸分布进行预测。利用近年来提出的计算传质学\overline{c^{\mathrm{2}}}-ε_c模型对湍流扩散系数进行计算,从而摆脱了传统需要预估湍流Schmidt数的经验方法。模拟得到的液相苯酚和菌体浓度与实验测量值吻合良好,从而证明了所建立模型的有效性。研究结果表明ILALR内湍流传质过程中湍流扩散系数及湍流Schmidt数并非常数,因此基于传递相似性假设得到的湍流Schmidt数经验模型不适用于ILALR内湍流传质过程的模拟。模拟得到的ILALR中液相剪应力随表观气速的增大而增大,局部最大值出现在导流筒的上部。     

旋流脱气性能影响因素的CFD模拟

液体脱气是工业生产环节不可缺少的部分。脱气式旋流器能够在线、快速地进行脱气工作, 但目前发展处于初期阶段, 对于其脱气性能影响因素的探究还不全面。本文采用计算流体动力学(CFD)的方法, 运用流体力学软件Fluent, 在H₂O-CO₂的两相体系、湍流模型采用Reynolds应力模型、多相流模型采用Mixture混合模型的条件下, 对不同柱径比的液体脱气式旋流器进行数值模拟, 利用旋流离心场的离心力和压力梯度对微小气泡进行分离, 获得了对5～50μm不同直径气泡的分离性能以及进口流速对气泡分离性能的影响关系。研究发现, 在一定条件下, 随着柱径比值的增大, 脱气效率总体上先逐渐增大, 超过一个极限值后迅速减小, 但柱径比越大, 越有利于小气泡颗粒的迁移分离;分离效率随着进口流速增加而增加, 到达极限之后效率降低。     

非对称陶瓷膜管渗透性能的CFD模拟研究

陶瓷膜因其化学稳定性好、机械强度大等优点得到广泛应用。计算流体力学(CFD)的快速发展使得计算模拟成为研究和优化陶瓷膜管结构性能的有效手段。为了优化非对称结构陶瓷膜管的结构和操作参数,对其渗透性能进行了CFD计算模拟。针对非对称结构陶瓷膜管的膜层和过渡层的厚度在10 μm级的特点,采用Navier-Stokes方程和Darcy定律来分别描述膜管内和膜多孔介质内的纯水流动,利用多孔介质模型描述膜管的主体支撑层,用多孔跳跃边界简化膜管的膜层和过渡层,利用Konzey-Carmen方程对膜元件各层的渗透率进行估算。计算结果与实验值吻合较好,为优化陶瓷膜管的通道结构提供了便捷的工具。     

三相环流反应器流体力学行为

气升式三相环流反应器综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优良性能,具有结构简单、无机械传动部件、易密封、造价低、容易实现工业放大等优点,在石油、化工、电化学和生物化工等领域得到了广泛应用．随着能源形势的日趋紧张,环流反应器在液相法合成甲醇、浆态床一步法合成二甲醚、煤液化等过程中的应用得到许多研究人员的重视,并取得了重要的研究进展．由于目前对其内部流动行为尚缺乏系统的认识,进行工业设计和操作过程中仍显理论指导不足