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气升式环流反应器流动与传质的研究

薛胜伟  
【摘要】:气升式环流反应器具有结构简单、操作方便、流型规整、特别是不需要机械搅拌就能得到混合效果良好和传质系数较高的优点,而广泛地应用于生物、化工及水处理等行业。由于气液两相流动及传质的复杂性,用于气升式环流反应器设计计算的基础数据十分缺乏。迄今为止,对其选型、设计及放大仍主要依赖实验验证和专家经验,缺少理论指导,耗资巨大,生产投运周期长。因此对气升式环流反应器内流动传质机理的研究显得十分迫切。 为了更微观更本质地研究气升式环流反应器气液流动和传质,探索反应器的设计和放大的理论依据,本文应用CFD模拟和试验研究了气升式环流反应器内的气液两相流动及传质,其主要的研究工作及得出的结论如下: 1.在对气升式环流反应器气液流动分析的基础上,采用Euler法的双流体模型、二维拟均相的K-ε双方程模型和气液两相流体动力学理论建立了气升式环流反应器气液流动的数学模型,模型中考虑了气液两相之间动量传递的曳力、附加质量力以及气泡的形成机理。在此模型基础上利用Higbie溶质渗透—更新理论和Kolmogorff各向同性湍流理论建立了局部液相体积传质系数数学模型,并应用经典的双膜理论模型描述气液两相间的氧传递过程。 2.运用FLUENT软件对模型进行求解,通过求解得到了气液两相速度场、局部气含率分布、气泡并聚破碎后的直径分布及局部液相体积传质系数分布等详尽信息,全面而定量地展示了气升式环流反应器内流体流动和传质状况。采用两步法,在稳态流场的基础上计算得到了混合时间。模拟结果显示气升式反应器具有流型规整、宏观混合效果好、死区空间体积小等特点。 3.研究了操作参数、结构参数对气升式环流反应器的气液流动和传质性能影响,结果表明:表观气速、静液位、反应器的高径比、上升管与反应器直径比、分离器的直径、分离器的锥角等对反应器的气液流动和传质性能有很大的影响,得到了本文条件下的最佳反应器结构参数。 4.设计、制作了一套φ150X3000气升式环流反应器试验装置及数据采集系统。试验结果表明:数值模拟结果与试验结果趋势相同,说明应用该模拟方法对复杂流场进行计算是可行的。


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