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气液(浆)反应器流体力学行为的实验研究和数值模拟

王铁峰  
【摘要】:气液(浆)反应器广泛应用于石油化工、生物化工、能源化工和环境工程等领域。对该类反应器的流体力学行为进行深入研究,可以为优化现有反应器的操作和开发设计更高效的新型反应器提供指导,对于解决日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。本文以合成气一步法二甲醚合成的反应器开发为应用背景,采用实验测量和数值模拟相结合的方法对气液(浆)反应器的流体力学行为进行了系统的研究,主要内容包括以下几个方面: 研究和开发了相关的多相流测量方法。开发了用于气泡行为研究的光纤探头测量技术,进一步完善了探头技术的信号分析和数据处理方法,开发了相应的数据处理软件。对超声多普勒测速仪DOP2000用于液固和气液两相流测量进行了研究,提出了测量液固体系固含率的方法,实现了在气含率较低时对气液体系中气泡速度和液体速度进行同时测量。采用探头经过改进的激光多普勒测速仪对气含率较高条件下气液体系的液速进行测量,得到了较好的结果。 对气升式循环浆态床反应器的流体力学行为进行了系统的实验研究。考察了表观气速、固含率和流动阻力对气含率、气泡大小、气泡上升速度和液速的影响。基于动量平衡建立了预测气含率和浆液循环速度的流体力学模型,并成功用于一步法二甲醚合成的气升式循环浆态床中试反应器的设计。 采用k-( 双流体模型对气液(浆)体系流体力学行为进行数值模拟研究。在总结和分析文献中气液体系双流体模型的基础上,从气液相间作用力和湍能修正两方面对模型进行改进,在CFX4.4软件平台上实现改进的模型并进行数值模拟研究。通过与实验数据进行比较,表明气液相间作用力和湍能修正对气液(浆)体系流体系学行为有重要影响,改进的模型具有较好的预测能力。 将群体平衡模型 (PBM:Population Balance Model) 用于描述气液体系的气泡大小分布,综合考虑了气泡聚并和破碎的不同机制,建立了较完善的气泡聚并和破碎模型。通过数值求解PBM计算得到气液体系中的气泡大小分布,该模型能够从理论上对流型转变进行预测,并且对均匀鼓泡区和不均匀鼓泡区气泡大小分布的计算都得到较好的预测结果。 WP=5 提出了CFD-PBM耦合模型,将CFD预测流场和PBM计算气泡大小分布的优点相结合。CFD-PBM模型中考虑气泡破碎和聚并,对气泡大小分布进行定量描述,再基于气泡大小分布计算相间作用力和进行湍能修正,从而对均匀鼓泡区和不均匀鼓泡区的流体力学行为均有较好的预测能力。


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