湍動(dòng)鼓泡塔充分發(fā)展段的流體力學(xué)與內(nèi)構(gòu)件技術(shù)研究.pdf

1、鼓泡塔反應(yīng)器是一種工業(yè)中廣泛應(yīng)用的氣-液兩相和氣-液-固三相接觸與反應(yīng)裝置。目前鼓泡塔或漿態(tài)床反應(yīng)器大型化已成為煤化工與石油天然氣化工的發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)的放大問題和過程強(qiáng)化問題取決于對(duì)塔內(nèi)流體力學(xué)規(guī)律的了解與把握?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)鼓泡塔的流體力學(xué)研究大多數(shù)集中在低氣速(0.03～0.12m/s)、小塔徑(＜0.5m)、以及無(wú)內(nèi)構(gòu)件的情況，針對(duì)高氣速、較大塔徑、特別是含密集內(nèi)構(gòu)件條件下的湍動(dòng)鼓泡流情況還研究得很不充分。有鑒于此，本論文針對(duì)湍動(dòng)

2、鼓泡塔充分發(fā)展段的流體力學(xué)及內(nèi)構(gòu)件技術(shù)展開研究，采用冷模實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬兩種方法系統(tǒng)地考察空塔與含密集內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔流體力學(xué)規(guī)律，建立各種情況下的鼓泡塔流體力學(xué)模型，用于鼓泡反應(yīng)器的模擬、放大與內(nèi)構(gòu)件技術(shù)開發(fā)。論文主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 1．湍動(dòng)鼓泡塔流體力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量：使用自制電導(dǎo)探針、Pavlov管和徑向測(cè)速管在三種不同直徑(186、476、760mm)的鼓泡塔冷模實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了高空塔氣

3、速(0.12～0.62m/s)、高固含率（體積分率10～30％）條件下的平均氣含率、鼓泡塔充分發(fā)展段的局部氣含率、軸向液速、三維脈動(dòng)均方根速度和湍流動(dòng)能的徑向分布，并考察了不同因素對(duì)上述分布的影響規(guī)律。
　　 2．湍動(dòng)鼓泡塔充分發(fā)展段的一維流體力學(xué)模型：根據(jù)氣液間的橫向升力和湍流擴(kuò)散力的徑向平衡機(jī)制建立了描述鼓泡塔或漿態(tài)床氣含率分布的本構(gòu)關(guān)系，提出了針對(duì)無(wú)內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔充分發(fā)展段的一維擬均相k-ε模型。模型計(jì)算得到的在不同塔徑、

4、空塔氣速和固含率條件下的氣含率、軸向液速和湍流動(dòng)能分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果符合良好。應(yīng)用該模型對(duì)無(wú)內(nèi)構(gòu)件的空塔進(jìn)行了流體力學(xué)放大預(yù)測(cè)。
　　 3．鼓泡塔縱向列管內(nèi)構(gòu)件流動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究：在(Φ)476鼓泡塔內(nèi)測(cè)定了不同列管密度和空塔氣速下的氣含率與液速?gòu)较蚍植?、湍流脈動(dòng)速度與動(dòng)能分布。實(shí)驗(yàn)揭示列管束的加入顯著提高了液相或漿料相的循環(huán)速度，速度梯度隨著列管布置密度的增大而增加，氣含率分布也呈現(xiàn)明顯的陡峭化趨勢(shì)，該現(xiàn)象稱為“煙囪效應(yīng)”。實(shí)

5、驗(yàn)考察了氣速和列管束密度對(duì)流動(dòng)參數(shù)分布的的定量影響，從流動(dòng)機(jī)理方面對(duì)“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行了分析，澄清了文獻(xiàn)中對(duì)這一問題的不同認(rèn)識(shí)。
　　 4．含列管內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔流體力學(xué)模型：在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上對(duì)帶列管柬的鼓泡塔進(jìn)行了流體力學(xué)建模，將密集列管內(nèi)構(gòu)件的作用考慮為連續(xù)分布的動(dòng)量源、動(dòng)能源、耗散源，摒棄了現(xiàn)有的CFD模型將列管壁面考慮為復(fù)雜幾何邊界的做法，根據(jù)力學(xué)原理給出了列管束各體積源項(xiàng)的本構(gòu)關(guān)系，添加到一維湍流k-ε方程之中。模型計(jì)算的

6、氣含率分布、液速分布、湍動(dòng)動(dòng)能分布在寬泛的條件下與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值符合良好，能夠定量描述“煙囪效應(yīng)”以及內(nèi)構(gòu)件參數(shù)對(duì)流動(dòng)的影響。采用該模型對(duì)漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)器進(jìn)行了流體力學(xué)放大預(yù)測(cè)。
　　 5．帶阻尼內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔流體力學(xué)研究：實(shí)驗(yàn)考察了多層阻尼網(wǎng)格、網(wǎng)格+列管、針翅列管三種內(nèi)構(gòu)件對(duì)鼓泡塔氣含率和軸向液速分布的影響。實(shí)驗(yàn)表明：阻尼內(nèi)構(gòu)件的加入可有效改善塔內(nèi)液速分布，提高平均氣含率，抑制列管束“煙囪效應(yīng)”，減小塔內(nèi)返混，其中針翅列管還

7、可強(qiáng)化傳熱，是一種多功能內(nèi)構(gòu)件。根據(jù)阻尼內(nèi)構(gòu)件對(duì)流體作用力的分析，建立了描述該型內(nèi)構(gòu)件影響的鼓泡塔流體力學(xué)模型。
　　 6．鼓泡塔傳熱規(guī)律研究：使用自制傳熱探頭測(cè)定了(Φ)476鼓泡塔內(nèi)，列管內(nèi)構(gòu)件與針翅內(nèi)構(gòu)件的傳熱系數(shù)徑向分布。實(shí)驗(yàn)表明，列管傳熱系數(shù)隨表觀氣速的增加而增大，且沿徑向呈拋物型分布，豎直列管內(nèi)構(gòu)件的加入使得傳熱系數(shù)的徑向分布更不均勻；針翅管可有效強(qiáng)化傳熱，與光滑列管相比，傳熱系數(shù)提高了20%以上?；诒砻娓吕碚?，