氣液反應(yīng)器局部分散特性的實驗與數(shù)值模擬.pdf

1、氣液和氣液固反應(yīng)器廣泛應(yīng)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(yīng)過程的強化、反應(yīng)裝置的大型化趨勢對于氣液反應(yīng)器的設(shè)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(yīng)器內(nèi)局部氣液分散行為的深入解析可以為現(xiàn)有反應(yīng)器的優(yōu)化操作和新結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的開發(fā)提供指導(dǎo)。
　　 本文采用實驗測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對高通氣量操作條件下氣液反應(yīng)器內(nèi)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(jié)

2、果。
　　 采用特制的雙電導(dǎo)電極探針法對攪拌槽內(nèi)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(nèi)局部氣液分散特性、以及操作條件對其的影響規(guī)律。結(jié)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(nèi)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(dǎo)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(chǔ)上耦合氣泡數(shù)密度(BND)模型、引入氣泡破碎和聚并函數(shù)，建立了大范圍通氣量下攪拌槽內(nèi)氣液分散的計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值計算方法。以PTU-CBT組合槳為例獲得了氣液攪拌槽內(nèi)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(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，表明該方法能很好地對較高通氣量攪拌槽內(nèi)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??；隨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(zhuǎn)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(nèi)流體力學(xué)特性。沸騰體系攪拌槽內(nèi)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(nèi)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(yù)測攪拌槽內(nèi)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(nèi)的返混和分散特性進行了研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明：氣泡尺寸、攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量對攪拌槽內(nèi)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(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)值模擬的研究擴展到鼓泡塔反應(yīng)器。發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)氣液分散基本不隨軸向高度