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《华东理工大学》 2010年
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鼓泡塔反应器气液两相流数值模拟模型及应用

李光  
【摘要】: 鼓泡塔反应器因结构简单、传质传热效率高等优点而大量应用于石油化工、能源、环境、生物工程等领域。深入研究该类反应器的流体力学行为,可以为优化反应器操作、设计高效的反应器结构以及拓展鼓泡塔的应用范围提供依据。鼓泡塔液相流动由气相驱动,两相之间作用强烈,因而流体力学行为非常复杂;又因大量气泡的存在使得实验研究非常困难。近年来,随着计算流体力学的发展和相关的物理模型不断完善,数值模拟已逐渐成为鼓泡塔研究的重要手段。本文以鼓泡塔PX氧化反应器放大设计为背景,开展鼓泡塔反应器的数值模拟研究,以指导反应器设计。 双流体模型因假定离散气泡相为拟流体,气相与液相互相渗透,因此计算量较小,工业应用潜力大。针对当前鼓泡塔模拟中模型问题以及存在的不足,本文采用双流体模型开展了以下的工作。 对气液两流模拟中的各物理模型进行了详细的数值模拟实验,定量考察了它们的作用。结果发现,湍流模型和升力是模拟鼓泡流摆动周期的关键,而虚拟质量力的作用不大。对于单孔局部通气鼓泡塔,只有考虑升力或湍流扩散力才能合理模拟气相分散;而对于底部均匀进气鼓泡塔,不考虑升力或湍流扩散力也能获得与实验比较接近的模拟结果。 为预测气泡直径,对考虑气泡聚并与破碎的单方程气泡界面浓度模型进行了研究,并编写了该模型的相关计算程序,最后耦合该模型与CFD双流体模型对鼓泡塔进行模拟。计算结果表明:整体气含率、局部气含率、局部气/液相速度和液相湍流动能的模拟结果与实验数据吻合较好,但气/液相雷诺应力模拟结果与实验值相差较大。 为模拟气泡尺寸分布,对气泡群平衡模型(BPBM模型)进行了系统研究。建立了完整的SBPBM模型数值实现算法,编写相关计算程序。并通过综合考虑气泡自由运动空间以及气泡的有效湍动运动距离对气泡碰撞效率的影响,对Prince聚并模型进行修正。在SBPBM-CFD耦合模型框架上,采用标准LuoSvendsen与标准Prince模型组合以及标准LuoSvendsen与修正Prince模型组合分别对同一鼓泡塔进行了数值模拟。结果表明,标准模型预测的气泡直径随表观气速先增大后减少;而修正模型预测的气泡直径基本上随表观气速增大而增大。 在SBPBM模型的基础上,本文首次提出并建立了双气泡相-群平衡模型(TBPBM),编制了该模型的数值算法和计算程序。并耦合TBPBM模型与CFD双流体模型对鼓泡塔进行了数值模拟。发现TBPBM模型明显改善了平均气泡尺寸模型和SBPBM模型的模拟结果,且TBPBM模型模拟的气泡尺寸大于SBPBM模型。文中还详细考察了边界条件、网格、数值格式对BPBM模型模拟结果的影响,结果表明它们对模拟结果的影响非常严重,特别是体积分数方程的离散格式和网格的影响更是显著,并由此提出了一种较优的网格划分方案。 应用CFD模拟较系统的研究了带短导流筒内构件的鼓泡塔和多种气体分布器。结果发现,在鼓泡塔底部安装短导流筒,能在不降低气含率情况下,显著提高液相循环速度以及瞬时液相速度,将改善普通鼓泡塔的固相悬浮性能。气体分布器的模拟结果表明分布器形式和管式分布器的通气管位置严重影响了鼓泡塔的流体力学、混合以及气泡尺寸分布;文中通过CFD数值模拟,对四管分布器通气管安装位置提出了优化,并且CFD优化结果与实验结论吻合较好,说明可以通过CFD模拟对鼓泡塔反应器进行优化设计。 基于气泡破碎时湍流涡最小能量密度约束条件对LuoSvendsen破碎模型了进行修正。然后,采用SBPBM-CFD双流体耦合模型以及修正的LuoSvendsen模型和Prince聚并模型对鼓泡塔的放大效应进行了三维数值模拟研究。模拟结果表明:塔径对整体气含率的影响可以忽略,但气含率径向分布随塔径的增大逐渐均匀;鼓泡塔中心液速是塔径的1/3次方的函数;塔径对平均气泡尺寸及其分布有一定的影响,但不显著。塔径对流型有显著影响,小直径鼓泡塔内(D=440mm)液相沿鼓泡塔中心扭曲上升;而在大塔内,液相贴壁面垂直上升,形成大尺度的整体循环。
【学位授予单位】:华东理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ018

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