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喷射型内环流反应器流体力学的实验和模拟研究

卢浩然  
【摘要】:内环流反应器广泛的应用于重质油加氢、生物发酵、污水处理等化工过程。工业上普遍使用带均匀分布器的内环流反应器,反应器内部气泡尺寸均匀,气含率差异不大,循环速度有限。使用气液喷射器可产生不同尺寸的大小气泡,大气泡加强流体的湍动,有效地克服传统内环流反应器循环速度不足的缺陷,小气泡同时可以促进气液传质。将喷射型分布器和内环流反应器结合应该是一种是理想的气液两相反应器构型。目前针对均匀分布型内环流反应器的研究较多,而对喷射型内环流反应器的实验与模拟研究均较少。喷射型内环流反应器涉及高速射流、较宽的气泡尺寸分布、大尺度的全塔液相循环等过程,流动状况复杂,对该类反应器的流体力学状况还不甚清楚。本文对喷射型内环流反应器的流体力学行为进行了系统研究,在安装有喷嘴和锥形底的内置(?)100× 1400mm导流筒的(?)200×2500mm装置内开展冷模研究,测量了气含率和液速的空间分布,考察了反应器的多相流动规律,并建立相关的CFD模型。实验结果表明,喷射型内环流反应器中喷嘴的射流会在底部产生较大尺寸的气泡,气泡在提升管中随浮升而破碎,气含率沿高度而增加,分布器影响区贯穿全塔;降液管中,由于液相对不同尺寸的气泡携带能力不同,气含率沿轴向递增。喷嘴产生的大气泡促进了液相的循环流动,使循环速度成倍增大,有利于液相混合与固体悬浮。在实验的基础上修正了曳力系数模型,并通过对比模拟结果和实验数据,认为大涡模拟要优于可实现的k-ε模型。曳力修正因子的引入,使该模型能够较好的模拟平均气含率等宏观量的变化,但由于单气泡模型的缺陷,对于局部流动特征的描述不尽如人意,仅在降液管内得到了和实验吻合的气含率和液速分布,在提升管内的数值结果和实验差异较大,无法表现出喷射影响区贯穿全塔的特点。液相的进料会显著的促进气泡的破碎,使全塔的气含率明显增高。为了契合喷射型内环流反应器中气泡分布较宽的特征,使用CFD-PBM耦合模型来对体系进行模拟。该模型表现出了反应器中由射流产生的大气泡随浮升而破碎,气含率沿轴向高度增加,分布器影响区显著延长的特征;大气泡对液相循环流动的促进作用也得到了良好的展现。通过分析反应器内的速度矢量图以及气泡尺寸分布云图,发现在液相流动方向发生剧烈变化的区域,湍流耗散率较高,气泡破碎更加显著。实验和模拟研究表明,喷射型内环流反应器是一种能够有效强化液相混合、气液传质、固体悬浮的理想反应器构型。


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