氣液反應器局部分散特性的實驗與數值模擬.pdf

1、氣液和氣液固反應器廣泛應用于石油化工、生物化工和廢水處理等工業(yè)過程中．氣液反應過程的強化、反應裝置的大型化趨勢對于氣液反應器的設計、優(yōu)化提出了新的要求，高通氣量操作條件下氣液分散特性是目前研究工作的薄弱點，反應器內局部氣液分散行為的深入解析可以為現有反應器的優(yōu)化操作和新結構反應器的開發(fā)提供指導。
　　 本文采用實驗測量和數值模擬相結合的方法對高通氣量操作條件下氣液反應器內的局部氣液分散特性進行系統(tǒng)研究，取得了以下幾個方面的研究結

2、果。
　　 采用特制的雙電導電極探針法對攪拌槽內氣泡尺寸和局部氣含率進行了測量，獲得了中高通氣量操作條件下攪拌槽內局部氣液分散特性、以及操作條件對其的影響規(guī)律。結果表明：比之低通氣量，在中高通氣量下攪拌和通氣對氣液分散的控制能力逐漸減弱，全槽內氣體分布的均勻性也變差；對于上層上翻斜葉槳和下層凹葉槳(PTU-CBT)雙層組合式攪拌，通氣量的增加導致下層攪拌槳向槽底部的氣體循環(huán)能力減弱、下層攪拌槳局部區(qū)域氣含率明顯增加、上層攪拌槳區(qū)

3、域氣含率增加不明顯；高通氣量操作條件下宜采用靠近邊壁通氣的多管式氣體分布器。
　　 在歐拉雙流體模型的基礎上耦合氣泡數密度(BND)模型、引入氣泡破碎和聚并函數，建立了大范圍通氣量下攪拌槽內氣液分散的計算流體力學(CFD)數值計算方法。以PTU-CBT組合槳為例獲得了氣液攪拌槽內的氣相和液相速度場、氣泡大小與分布、局部氣含率等重要信息，數值模擬與實驗數據吻合良好，表明該方法能很好地對較高通氣量攪拌槽內氣液分散特性進行模擬計算并可

4、視化。進一步的模擬研究表明，通氣量的增加使氣液相局部循環(huán)渦流和返混減弱、攪拌槳端區(qū)域的最大氣液相速度明顯減?。浑S通氣量提高氣泡尺寸明顯增大并且分布均勻性變差，高通氣量下液面附近氣泡聚并增加易形成氣泛；攪拌轉速提高使平均氣泡尺寸減小、攪拌槳作用區(qū)的局部氣含率提高、全槽平均氣含率也提高。
　　 基于傳熱和相變理論，采用UDF方法將流體相變模型加入到CFD中進行耦合計算，獲得了不通氣沸騰體系攪拌槽內流體力學特性。沸騰體系攪拌槽內汽含率

5、分布與通氣攪拌槽有很大的不同，沸騰體系攪拌槽內汽含率主要集中在靠近液面區(qū)域和上層槳葉片后部，槽體下部區(qū)域的汽含率幾乎為零。另一方面，建立了預測攪拌槽內氣體停留時間分布的拉格朗日-示蹤粒子法和歐拉-示蹤劑方法，對氣體在攪拌槽內的返混和分散特性進行了研究。數值模擬結果表明：氣泡尺寸、攪拌轉速和通氣量對攪拌槽內氣體的返混和分散有明顯的影響。
　　 對多種雙層槳組合進行實驗和CFD數值模擬研究發(fā)現，在較高通氣量相同操作條件下，PCBDT

6、-CBDT槳組合的氣液分散特性最佳；槳葉片上開孔的槳組合比其相對應葉片未開孔槳組合氣液分散效率更高。對多種形式氣體分布器數值模擬研究發(fā)現，在較高通氣量下，且下層槳為徑向流槳時宜采用大直徑的氣體分布器。
　　 將氣泡尺寸和局部氣含率的實驗測量與CFD數值模擬的研究擴展到鼓泡塔反應器。發(fā)現在鼓泡塔自下而上可分為鼓泡區(qū)、氣泡過渡流域和充分發(fā)展流域，在過渡流域塔內氣液分散特性隨軸向高度變化敏感，在充分發(fā)展流域塔內氣液分散基本不隨軸向高度