多相流搅拌反应器研究进展

综述了近五年冷态气液固三相搅拌反应器的研究成果,阐明近期研究热点已转为热态多相流搅拌反应器的流体力学行为。概述了热态气液两相体系中通气功率、混合时间、局部及总体气含率的研究结果。指出今后研究重点应为热态的固液悬浮、气液传质过程及其机理,同时说明用计算流体力学（CFD）对气液固三相搅拌反应器的数值模拟仍属起步阶段。     

滴流床反应器内脉冲流流体力学特性参数的模型预测

通过对气流两相在填料床反应器并流向下流动情况的分析,提出了计算如气、液两流体在富液和富气脉冲柱内的速度、持流量及脉冲柱长度等流体力学参数的数学模型方程,为使模型方程封闭,根据实验数据提出三个经验关联式关联表观脉冲速度、脉冲频率和平均持流量三个宏观平均参数,模型计算结果与分析结论吻合良好。     

滴流床反应器内脉冲流宏观流体力学的特性参数

引　言在石油化工工业的加氢处理中 ,滴流床反应器常操作在接近脉冲流流型区域[1] .脉冲流下气液流速都比较高 ,所以该操作方式适合催化剂活性高、反应速率快的反应[2 ] ,而且气液流量大有利于强放热反应的反应热从反应器移出。流体力学参数如脉冲速度、脉冲频率、持液量、气液分布、压力降等对于该类反应器的工业设计及操作具有很重要的意义 .Ｓａｔｏ等[3] 较早地对脉冲流的特性进行过定性的实验研究 .Ｂｌｏｋ等[4 ] 以及Ｔｓｏｃｈａｔｚｉｄｉｓ等[5] 通过电导法也对脉冲流宏观特性进行过研究 .本文用不同的实验方法对滴流床反应器内脉…     

机器学习在多相反应器中的应用进展

准确理解并精确预测多相反应器内复杂的流体力学特性、传递现象及反应特征,是过程工程领域的热点方向之一。随着试验测量技术及高性能计算机的快速发展,研究者可以获取高精度的多维瞬态流场数据集。近十年来,机器学习作为一门新兴学科,越来越广泛地应用于数据挖掘、图像识别、智能控制等领域。本文概述了几种常用的机器学习方法（包括神经网络模型、支持向量机模型、决策树模型、聚类算法模型等）,总结了机器学习模型的构建过程（包括数据集的建立、特征变量的选择、算法框架的选取、模型参数的调优、模型验证与测试等）,综述了机器学习辅助多相反应器中流场本构模型构建、流场图像重构、流型识别、流场关键参数预测及优化、不确定度分析、数字孪生技术平台等方面的应用进展,剖析了机器学习结合多相反应器领域所面临的挑战,展望了机器学习在多相反应器中可能有待拓展的方向。     

气固流化床反应器内多相流CFD的研究进展

流化床反应器因其优良的性能而广泛应用于化工、石油、冶金、农业和环保等诸多领域。传统的过程研究与设计方法需要耗费大量的人力和物力,且产业化周期较长。多相流CFD方法很好地解决了这些问题。随着数值计算方法和计算机软硬件技术的不断发展,多相流CFD方法必将会有更广阔的前景。     

计算流体力学在填充床反应器中的应用进展

在使用计算流体力学(CFD)方法模拟填充床反应器时,为了描述填充床中的气液流动情况,目前主要运用基于体积平均法的双流体数学模型,辅以空隙率分布,填料润湿效率以及轴向扩散等经验关联式来计算填充床中的压降、持液量、停留时间分布等重要参数。近年来填充床反应器CFD数学模型韵几个研究重点是动量交换系数、毛细管压力以及床层空隙率的非均匀分布性。简要介绍了涓流床、固定床、填料塔等填充床反应器及其内部构件研究中CFD软件模拟的应用进展情况和发展趋势。     

加氢反应器多相阻塞流新的判断方法

论述了PTA加氢反应器流程、反应原理和控制方法。加氢反应器发生故障即加氢反应器液位不能靠氢气流量来控制,按控制原理来说氢气流量加大,液位应该下降,但是反应器液位反而不断上涨,造成反应器满液位;反应器满液位时,反应器压力波动大,而此时加氢催化剂容易损坏或产品不合格。由此推测加氢反应器内产生阻塞流。但用化工设计手册提供流体阻塞流的判断方法去判断,结果与实际不符。经过工业试验,找到多相阻塞流新的判断和处理方法,并经过实际检验效果较好。     

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明:①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明：①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU 时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU 时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

自由基聚合反应器中多尺度流场的模拟进展

自由基聚合过程中,由于混合、传递及聚合反应的相互作用使得反应器内部存在复杂的多尺度流场,例如宏观尺度的速度、浓度、温度分布,介观尺度的液滴粒径分布,微观尺度的聚合反应速率、聚合物分子量和多分散性指数分布。这些复杂的多尺度流场分布使得聚合反应器的模型化研究成为难题。本文较为系统地介绍了自由基聚合反应器中存在的多尺度现象;简述了微观尺度聚合物性质流场分布的模型化与模拟研究方法;从悬浮聚合和乳液聚合两个方面介绍了介观尺度液滴粒径分布的模拟研究进展;从非理想混合的角度阐述了宏观尺度多相流流场分布的研究进展。最后,本文分析了多尺度模型的耦合求解方法。本综述也有本文作者对这个领域的初步观点,可为聚合反应器的设计、优化和放大提供参考。     

Application of residence time distribution technique to the study of the hydrodynamic behaviour of a full‐scale wastewater treatment plant plug‐flow bioreactor

The hydrodynamic behaviour of a full‐scale wastewater treatment plant (WWTP) bioreactor treating municipal wastewater, situated in Granollers (Barcelona, Spain), has been studied by means of a residence time distribution (RTD) technique using lithium (chloride) as tracer. The bioreactor studied is designed to work as a plug‐flow reactor and it is divided into two independent lanes (1 and 2), each one composed of four compartments in series resulting in a total volume of 3970 m³ per lane. During the RTD experiments, working flow was 1000 m³ h^?1 per lane, which implied an ideal mean residence time of 3.97 h. When a lithium chloride tracer was injected in the bioreactor, both lanes showed a similar highly non‐ideal hydrodynamic behaviour, which had an important effect on the reactor's performance. This global RTD was complemented by means of local RTDs in different locations of the bioreactor in order to determine qualitatively the reactor's mixing regime. Different non‐ideal models (namely axial dispersion, tanks‐in‐series and some simple compartment models) have been tested for the modelling of the experimental RTD. The best model fitting RTD data for Lanes 1 and 2 was a configuration consisting of four mixed tanks in series. The RTD study proposed in this work will permit improvement of the reactor's mixing performance, which is of special interest in future projects including simultaneous removal of carbon, nitrogen and phosphorus. Copyright © 2005 Society of Chemical Industry     

污泥分级分相厌氧反应器水力特性研究

污泥厌氧生物反应器的结构决定了反应器的流态,从而影响着可能达到的污泥处理效率.为了提高石化水厂剩余污泥的厌氧消化效率,对一种新型的污泥分级分相厌氧反应器的结构进行了优化设计.采用停留时间分布RTD(residence time distribution)的方法研究了反应器的降流区、升流区面积之比、溢流板高度和水力停留时间等参数和反应器水力特性之间的关系.结果表明,分级分相反应器的死区较小(7.51%),远低于传统单级厌氧生物反应器(50%~93%);该反应器流态处于平推流和完全混合之间;降流区、升流区面积之比最佳值为1:2,溢流板高度为450 mm时死区最小;在平均污泥浓度为25 gVSS?L?1的条件下,最佳水力停留时间为24 h.     

不同挡板絮凝反应器流场的实验研究

采用激光多普勒测速（LDV）技术,对带有4种类型挡板的絮凝反应器内的流场情况进行了实验测量,对比了安装有直挡板、带孔直挡板、弧形挡板及正弦挡板的絮凝反应器流场中的速度分布、湍动能及功率准数。结果表明：在搅拌桨相同的情况下,扰流挡板对反应器流场的整体影响较小,而对挡板附近的流场具有不同程度的影响。不同挡板反应器中,平均轴向速度相差较小,而平均径向、切向速度、湍动能及功率准数相差较大。与直挡板相比,带孔直挡板、弧形挡板和正弦挡板的设置分别使挡板附近流场的最大平均径向速度提高了0.043Utip、0.025Utip和0.058Utip,最大平均切向速度提高了0.023Utip、0.019Utip和0.038Utip,最大湍动能提高了0.016Utip2、0.015Utip2和0.021Utip2,功率数降低了0.98%、1.33%和5.78%。得出结论：合理的挡板形式可以有效地解决絮凝流场混合不均的问题,强化絮凝反应流场,改善絮凝效果,降低能耗,提高絮凝的经济效益。     

基于水力空化的化工过程强化研究进展

水力空化（HC）是一种利用声化学效应（即空泡溃灭时释放出的巨大能量）的高效、绿色化工过程强化技术,是国内外的研究热点。该技术具有设备造价低、可放大性强、可与其他物理及化学方法高效耦合等优点,工业应用前景广泛。本文介绍了HC现象及其特性;归纳了近年来HC技术在有机废水处理、水消毒与生物燃料制备等代表性应用的研究、应用进展以及作用机理,展示了其工业应用的潜力;总结了用于诱发HC现象的水力空化反应器的发展过程与研究现状;最后,结合发展趋势与作者的研究经历,归纳了国内外在HC研究方面存在的问题,指出了其未来发展方向,为HC技术的发展与工业应用探索提供建设性意见。     

工业环管反应器结构对非均匀流动的影响

工业环管反应器的结构参数对管内液固两相流动及装置的平稳高效运行具有重要的影响。对工业聚丙烯环管反应器进行CFD模拟,发现环管反应器中存在明显的非均匀流动现象--弯管处的颗粒偏析和直管处的颗粒带。进而引入非均匀度定量表征非均匀流动,研究直管段长度和直管段数量对非均匀流动的影响。研究发现,对直管段数量为2的环管反应器,当直管段高径比超过43时,出口截面上颗粒分布的非均匀度不随高径比增加而变化;对直管段数量为4的环管反应器,直管段高径比越大,出口截面上颗粒分布越均匀;对直管段长度为39 m、高径比为65的环管反应器,直管段数量越多,出口截面上颗粒分布越均匀;与直管段数量相比,直管段长度（高径比）对出口处非均匀度的影响更显著。研究结果可为工业环管反应器的设计和优化提供指导。     

The STAR configuration for methanol synthesis in reversed flow reactors

Although the transient reversed flow operation of a fixed bed reactor for methanol synthesis was shown to be an economically attractive alternative for the traditional steady state technology, it suffers from strongly varying exit concentrations upon flow reversal. These not only disturb the operation of downstream equipment but also significantly decrease the time averaged conversion to methanol. To avoid this drawback, the STAR reactor concept is introduced. It operates in a fully transient mode, but combines the attractive features of the reversed flow reactor operation with practically constant exit concentrations. Extensive simulation work shows that the conversions obtained exceed those of the single reversed flow reactor by at least 5 percent.     

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。     

NMR microimaging of fluid flow in model string-type reactors

Magnetic resonance microimaging (MRM) was employed to obtain quantitative velocity maps of water flowing in the channels possessing unconventional cross-section shapes formed by a bundle of parallel fibers within a tubular string-type reactor. The maps obtained demonstrate the presence of large amounts of an almost stagnant liquid in the stretched corners of the cross-sections representing distorted triangles or squares. This fact together with the irregularity of the filaments packing in the model string-type reactor was demonstrated to lead to a broad residence time distributions (RTDs) for liquid flow. Next, the pulsed field gradient NMR (PFG NMR) technique was employed to compare transport of water with that of butane gas in the same model string-type reactor. The experimentally measured average propagators (travel distance probability density functions) have demonstrated that Taylor dispersion can lead to much better RTDs for gas as compared to liquid in channels with sub-millimeter equivalent diameters. The PFG NMR data were compared with the RTD obtained using the conventional tracer time-of-flight transient response method. It is concluded that due to the differences in the quantities actually measured by the two techniques, and the significant differences in the measurement length scales (microns to 1-2 cm for NMR/MRM, tens of centimeters for transient response methods), there is no reliable way of directly comparing these results. The information obtained by NMR/MRM and more conventional techniques such as time-of-flight should be considered as complementary. In particular, NMR/MRM can reveal the reasons for the observed overall reactor performance by providing access to the transport processes on short length scales inside the reactor and by revealing structure-transport interrelations.     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。