旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)傳質(zhì)效應(yīng)及微觀混合的CFD模擬研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器(Rotating Packed Bed，RPB)具有極強(qiáng)的過程強(qiáng)化性能和微觀混合性能，由于受到其內(nèi)部復(fù)雜填料結(jié)構(gòu)及觀測(cè)手段的限制，關(guān)于RPB的流體力學(xué)特征和混合行為的基礎(chǔ)研究相對(duì)較少。
　　本文通過對(duì)RPB反應(yīng)器內(nèi)部填料進(jìn)行合理簡化，建立了三維RPB模型，分別在Design Modeler和Meshing-ICEM內(nèi)創(chuàng)建幾何模型和進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用流體計(jì)算軟件ANSYSY(FLUENT)對(duì)液相在RPB內(nèi)的流體流動(dòng)

2、破碎過程和混合過程進(jìn)行模擬研究。應(yīng)用Realizable k-ε模型、VOF模型以及Sliding Meshes模型來計(jì)算反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)和氣-液兩相邊界。三維模擬結(jié)果可以清晰地顯示液體在整個(gè)反應(yīng)器空間內(nèi)的分布及存在形態(tài)（孔流、液膜流動(dòng)和液滴）。液體被旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)填料切割的過程，既有分散的過程，也有聚并的過程。填料轉(zhuǎn)速對(duì)液相顆粒大小及存在形態(tài)具有明顯影響，而進(jìn)口速度對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床空腔內(nèi)的液相顆粒大小影響不大。轉(zhuǎn)速、進(jìn)液速度的增加和氣液接觸

3、角的降低有利于提高液體的比表面積，進(jìn)而有利于傳質(zhì)。液體停留時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速和氣液接觸角的升高而降低。與二維模擬相比，三維模擬對(duì)液滴尺寸、液體速度和停留時(shí)間的描述更接近實(shí)際情況，模擬的液體尺寸和液體速度值更接近實(shí)驗(yàn)值。
　　由于VOF模型受網(wǎng)格大小制約，對(duì)于捕捉小尺寸液滴特別是小于最小網(wǎng)格數(shù)尺寸的液滴具有一定的缺陷，受計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，模擬得到的RPB內(nèi)子液滴尺寸分布具有一定的誤差。本文利用實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)合的方法，通過實(shí)驗(yàn)獲得液滴破碎

4、信息，即得到不同尺寸液滴在絲網(wǎng)破碎的可能性、生成子液滴尺寸、撞擊位置對(duì)破碎的影響、聚集子液滴尺寸信息，把破碎信息編寫入Population Balance(PBM)方程中，得到了RPB內(nèi)更合理的子液滴尺寸分布圖。這種方法同時(shí)可減小網(wǎng)格數(shù)降低計(jì)算時(shí)間，對(duì)于大尺寸反應(yīng)器的模擬計(jì)算具有借鑒作用。
　　另外，基于RPB內(nèi)流體流動(dòng)的CFD模型，在穩(wěn)定流場內(nèi)添加液-液化學(xué)反應(yīng)，模擬研究RPB的微觀混合效率。考察了氫離子轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物(H3BO3

5、)、副產(chǎn)物（I2和I3-）以及離集指數(shù)在填料區(qū)徑向上的濃度分布。模擬結(jié)果表明:液-液反應(yīng)過程和微觀混合過程主要是在距進(jìn)口10毫米以內(nèi)的區(qū)域（端效應(yīng)區(qū)）內(nèi)進(jìn)行;各組分在RPB內(nèi)的分布、反應(yīng)進(jìn)程及微觀混合細(xì)節(jié)都能通過模擬結(jié)果得到清晰地顯示;轉(zhuǎn)速的增加能明顯強(qiáng)化RPB內(nèi)的微觀混合效應(yīng)，這與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，且離集指數(shù)在相同填料徑向位置上與實(shí)驗(yàn)值相差不大。
　　本文運(yùn)用CFD理論基礎(chǔ)建立了的簡化后的RPB模型，模擬研究了RPB內(nèi)流體的