气升式反应器流动行为研究Ⅰ──平均气含率的影响

在一个体积为 8L(直径 96mm ,高为 180 0mm)带导流筒的气升式反应器内 ,模拟两相(空气 -水 ,空气 -水 -乙醇 )系统和三相 (空气 -水 -玻璃珠 ,空气 -水 -乙醇 -淀粉 )系统 ,改变给气流量 ,导流筒直径 ,乙醇浓度 ,玻璃珠直径 ,固含率 ,淀粉含量 ,系统温度 ,以及操作方式考察了以上因素对气升式反应器内平均气含率的影响。     

气升式反应器流动行为研究Ⅰ——平均气含率的影响

在一个体积为8L（直径96mm，高为1800mm）带导流筒的气升式反应器内，模拟两相（空气－水，空气－水－乙醇）系统和三相（空气－水－玻璃珠，空气－水－乙醇－淀粉）系统，改变给气流量，导流筒直径，乙醇浓度，玻璃珠直径，固含率，淀粉含量、系统渡，以及操作方式考察了以上因素对气升式反应器内平均气含率的影响。     

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。     

气升式环流反应器在不同体系下的循环液速和局部气含率

在气升式环流反应器中,分别研究了空气—水、空气-0．1％乙醇水溶液和空气-水-活性污泥体系中的循环液速以及气含率随操作条件的变化规律。实验结果表明,循环液速随着表观气速的增加而增大,不同体系中的循环液速差别不大;导流筒内、外不同高度处的局部气含率均呈自下向上增大的趋势,且导流筒内部气含率高于导流筒外部的气含率。体系的聚并特性对平均气含率和局部气含率有较大影响。     

连续内环流三相反应器局部流动特性

在φ200 mm×2500 mm连续内环流三相反应器内,考察了空气 水 玻璃珠体系反应器内局部流动参数随操作条件的变化规律。结果表明,导流筒内截面平均气含率随表观气速的增大而增大,较之气液两相流,在低固含率时,加入固体对气含率影响不明显,而在较高固含率下,气含率有明显降低,但固体再增加时对气含率变化影响不大。在较低表观气速下,进料浆速对导流筒内气含率轴向分布趋势有一定的影响,但在较高表观气速下影响不大,导流筒内的气含率大于环隙内的气含率且随气速增大差别更加明显,浆相连续有利于气相分散并增大环隙内的气含率。导流筒内循环浆速径向分布呈抛物状,中心高、近壁处低,受进料浆速和入口固含率影响都不大。浆相循环强度最低为20,高可达180。固含率轴、径向分布受表观气速和进料浆速的影响,固含率轴、径向分布基本均匀,随进料浆速增加,反应器内固含率降低。     

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.     

气升式环流反应器流动特性的数值模拟

应用Fluent计算流体力学软件,通过数值模拟的方法考察了气升式环流反应器内导流简直径、导流筒高度、导流筒安装高度以及液相进口速度对反应器内两相流动的影响。计算结果表明：导流简直径增大。液相循环量和上升段气含率均增大;导流筒高度增大,液相循环速度和循环量均增大,但是当导流筒的高径比增加到6．3后,液相循环速度和循环量反而减小;导流筒安装高度增加．液相循环速度及循环量均增大,升液管气含率降低;增加液相的进口速度,虽然上升段的液速有所增加,但是降液管循环液速及循环量基本不受影响。最后计算了反应器内液相速度随进口气速的变化情况,并与实际测量值进行了比较,模拟值和测氨值都表明随着进口气速的增加,液相循环速度随着进口气速的增加而增加．两者呈现良好的一致性。     

固体装载率对局部相含率与液体速率的影响

在高径比(H/D=22.2)的气升式内环流反应器中,以空气-水-石英砂为物系,研究了固体装载率和表观气速对导流筒内局部固含率、下降区固含率、下降区液体速率的影响,以及导流筒内局部气含率、固含率随轴向高度的分布规律。结果表明,固体体积分数小于或等于1.0%时,导流筒内局部固含率和下降区固含率与表观气速无关;下降区液体速率随表观气速和固体装载率的增加而下降;固定表观气速,在固体体积分数小于或等于2.0%时,导流筒内气含率在轴向是均匀分布的。     

气升式三相内环流生物反应器内流体力学和传质性能的实验研究

本文通过实验研究了气升式三相内环流反应器在非牛顿流体中的流体动力学特性和传质性能.考察了表观气速、导流筒与反应器截面积之比、固体粒子加入量及CMC溶液浓度等操作条件对气升式三相内环流生物反应器中导流筒与环隙内液体循环速度、气含率、固含率及气-液体积传质系数等流动与传质特性参数的影响.     

环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性

针对中心气升式气固环流反应器在工业化中暴露出来的问题,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器,并建立了一套大型的冷态实验装置（装置总高4．56m,环流反应器筒体外径300mm）来考察环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性。操作条件为环隙区表观气速0.10-0.54m／s,导流筒区表观气速0.059-0.200m／s。分别测量了环流反应器环流段内颗粒的密度和速度,基于实验数据对催化剂颗粒的运动速度和环流推动力进行系统分析。结果表明,环隙区颗粒分布形式为“中心稀两边浓”;环隙气升式气固环流反应器内,颗粒环流速度随着环隙区表观气速的增大而增大,而环流速度梯度逐步减小。随着导流筒高径比H／D的增大,环隙气升式气固环流反应器的环流推动力增大而颗粒环流速度减小。     

提升管-环流床耦合反应器环流床内的固含率分布

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在提升管-环流床耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床内局部固含率分布及操作条件的影响,采用径向不均匀指数分析比较了提升管上端耦合环流床及耦合常规流化床的流化质量. 结果表明,环流床内固含率随表观气速增加而减小,导流筒底部固含率随外循环强度增加而增加,中上部固含率受外循环强度影响较小,环隙内固含率随外循环强度增加略有降低. 当导流筒内表观气速Ug,d<0.85 m/s时,固含率径向分布的均匀性沿轴向向上逐渐变好,当Ug,d≥0.85 m/s时,则沿轴向向上先变好,在导流筒出口处又变差;环隙内固含率分布趋于均匀的程度依次为环隙中部>环隙下部>环隙上部. 相同条件下,环流床内固含率分布的径向不均匀指数小于常规流化床.     

环隙气升式气固环流反应器内流体力学特性的理论分析

环流反应器的研究与应用一直局限于气液与气液固体系,将环流反应器移植到气固体系是一个具有独创性的探索。针对工业化中气固环流反应器的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器。并对床层空隙率、颗粒流动速度进行了实验研究与理论分析。建立了环隙区床层空隙率模型,发现环隙区床层空隙率随着环隙区表观气速的增加而增加;环隙区靠近导流筒外壁一侧颗粒流动速度明显大于靠近反应器内壁一侧,导流筒区颗粒流动速度沿径向的分布受气体分布器结构影响较大;环隙区颗粒流动速度基本不随轴向位置的变化而变化,导流筒区颗粒的流动属于密相输送,颗粒环流所受到的阻力主要集中在底部区域,其次为气固分离区,底部区域阻力大小由床层流化质量和导流筒下端距反应器底部的间隙所决定;建立了颗粒环流速度模型,发现环流速度随环隙区表观气速的增加而增加。     

环隙气升式气固环流反应器内床层密度的实验研究

针对工业化中气-固环流反应器存在的缺陷,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器. 在一套冷模装置内系统地考察了局部床层密度分布. 实验中实现了稳定、连续的环隙气升式环流,环流推动力随着环隙区表观气速的增加而增加,随着导流筒区表观气速的增加而减小,当导流筒区表观气速为0.2 m/s时,颗粒环流方向改变为中心气升式. 受结构特性的影响,催化剂密度在导流筒区和环隙区沿径向的分布具有一定的不均匀性,在底部r/R≤0.47区域颗粒未能充分流化,床层密度接近820 kg/m3,在底部0.47≤r/R≤1.0区域颗粒流化较好,床层密度小于450 kg/m3;随着环隙区表观气速由0.2 m/s增加至0.54 m/s,环隙区、导流筒区平均密度分别降低约70和33 kg/m3,随着导流筒区表观气速由0.06 m/s增加至0.2 m/s,环隙区平均密度增加约90 kg/m3,导流筒区平均密度降低约33 kg/m3.     

三相牛顿流体缩放型导流筒气升式内环流反应器研究

从气相含率、液体循环速度和体积氧传质系数方面研究三相牛顿流体条件下的缩放型导流筒气升式内环流反应器内的流体力学与传质特性。内导流筒分别采用一种传统圆柱型和三种不同结构参数的缩放型, 实验条件为空气 水 树脂三相系统。实验结果表明, 与传统圆柱型导流筒相比较, 缩放型导流筒气相含率和体积氧传质系数分别提高８ ％ 和１０ ％ 以上。圆柱型导流筒反应器的液体循环量（ Ａｒ·ＵＬｒ） 大于各含缩放型导流筒反应器的液体循环量。在固含率分别为０ ％ ,３ ％ ,６ ％ 及９ ％ 条件下, 气相含率和体积氧传质系数随固含率的增大而提高, 液体循环速度随固含率的增大而减少。此外还在Ｈｉｇｂｉｅ 穿透理论和Ｋｏｌｏｍｏｇｏｒｏｆｆ 各向同性理论的基础上建立了体积氧传质系数与操作条件及管结构参数之间的关联式     

加压气升式内环流反应器流动特性

在连续进料的操作条件下,选用水、氮气等作为实验介质,在Φ600mm?000mm的耐压不锈钢环流反应器内进行了实验。获得了下降环隙以及中心导流筒气含率的实验数据,并根据所获得的实验数据给出了中心导流筒以及下降环隙的关联式。从能量衡算的角度出发,对中心气升式加压环流反应器进行了理论分析,根据能量平衡推导出了连续操作模式下液相循环速度模型。同时根据实验所获得的数据确定了模型参数,通过计算可以发现,循环液速会随空塔气速以及体系压力的增加而增大,但是液相循环速度不会随着这两个操作工况无限制的变化,当体系压力与空塔气速大于某个值之后,液相循环速度的基本趋于平缓     

底部间隙对多室环流反应器流动特性的影响

在空气-水-石英砂三相多室气升式环流反应器(MALR)中,调节底部转角连接处间隙高度分别为18,28,38mm,在表观气速1.2～4.2cm/s范围内,实验研究了底部阻力系数、相含率、循环液速随反应器底部间隙的变化规律。结果表明,随着底部间隙的增大,底部转角处的局部阻力系数减小,循环液速增大,流体夹带进入下降室的气泡和固体颗粒均增多,下降室的气含率和固含率均增大。     

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%。     

旋流气升式环流反应器的气含率轴向分布

为强化环隙气升式环流反应器(AALR)的流动、混合与传质性能, 提出了旋流气升式环流反应器(HALR)。在8.8L的HALR中, 以空气-水和空气-水-K树脂为实验物系, 在表观气速为0.47～2.31cm/s的范围内, 研究了表观气速、导流筒底边与反应器底面的间隙(简称底部间隙)、上升区轴向高度及固体装载量等因素对气含率的影响规律, 并与 AALR 进行了对比。结果表明:对于空气-水组成的两相物系来说, 在表观气速较小时, 旋流片对上升气泡有聚并作用;在表观气速较大时, 旋流片对气泡主要起破碎作用;气含率随着轴向高度的增加而增加, 增加的幅度随表观气速的增加而增加。对于三相物系, 表观气速较大时, 气含率随着固体装载量的增大而增大, 比两相物系气含率高;表观气速较小时, 两相物系的气含率略高于三相物系的。根据实验结果, 提出并拟合出了上升区局部气含率与轴向高度的预测模型:ε_g=(3.00×10^-4h+0.0276)U_g^0.615, 模型的预测值与实验值吻合较好, 平均相对误差为12%。     

78.5升气升式环流反应器内构件优化

研究了78.5L气升式环流反应器内部结构对流动性能的影响规律, 并给出最佳区间来为工业装置提供理论指导。利用Fluent软件建立数学模型与实验装置作对比, 模拟了不同气液分离区高度与外筒高度比、导流筒长度与外筒长度比和筒内外直径比对流动行为的影响规律。结果表明:数学模型和实验结果误差较小, 可以用来预测气升式环流反应器流动行为。气液分离区高度与外筒高度比值过大会导致环流阻力增大, 从而不利于流动, 比值为0.34~0.36时流动性能最佳;导流筒长度与外筒长度的比值增大可增加气含率和环流液速, 但是比值过大会引起气泡的聚合, 从而影响流动性能, 当比值为0.60~0.62时流动性能最佳;在一定范围内增加内外筒直径比会改善流动效果, 但环隙面积过小会增加环形阻力, 内外筒直径比为0.73~0.77时流动效果比较理想。     

再分布板对环隙气升式反应器内多相流动的影响

为了考察环流反应器放大过程中再分布板对其内部多相流动的影响,采用欧拉双流体模刑模拟了再分布板小同高度的布置对环流反应器内气含率,循环液速,固体颗粒分布等参数的影响,并与部分冷模实验结果进行了比较,两者结果一致结果表明,再分布板高度的增加会使气升反应}州为气含率旱现先增后减的趋势,并导致导流管内的固含率上升。此外,小同高度的再分布板对环流反器内整体气含率及循环液速的影响小大结合CFD模拟和实验结果,优化了环流反应器内再分布板的设计,从而为实现强化环隙气升式环流反应器内多相流动、传递、反应等过程提供了一定的指导意义