（化学工程专业论文）中试规模下喷自吸环流反应器流动与传热性能研究.pdf

中文摘要 下喷自吸环流反应器是一种高效组合型多相反应器，有着广泛的工业应用。 目前该类反应器的设计放大和工业应用缺乏必要的基础数据，因此对中试规模下 喷自吸环流反应器的局部流体力学性质及液固传热等特性进行了研究。 试验采用皮托管法测定了气液液固气液固喷射环流反应器中的液相特性， 获得了操作条件和物性参数对其影响的规律：液相局部平均速度和液相湍流脉动 速度随着液体喷射量的增加而增大，随着液相粘度的增加而降低；环隙内的液相 局部平均液速和湍流脉动速度分布比较均匀；气液两相体系中液相平均速度呈抛 物线分布；液固两相体系中液相平均速度在导流筒壁面附近由于壁面效应的影响 平均液速出现一个突增；气液固三相体系内液相平均速度为m 型分布。 试验采用了微型双探针法测定了气液气液固下喷自吸环流反应器内的局部 气相特性，其变化规律为：气含率、气泡速度均随着液体喷射量的增加而增大， 随着液相祜度的增加而降低。 采用p v 4 a 颗粒浓度速度测量仪测定了喷射环流反应器内局部固含率分布， 结果显示出：液固两相体系下固含率和颗粒速度均随液体喷射量的增加而增大， 液固体系中固含率分布呈抛物线型。采用微型双针和电导双探针结合的方法考察 了气液固三相体系中固含率分布，发现：三相体系中固含率随着液体喷射量的增 加而增大，在导流筒内为m 型分布。 采用了电加热金属薄膜式表面测温法研究了液固传热特性。研究结果显示 出：液固气液固喷射环流反应器内的液固传热系数随着液体喷射量的增加而增 大，随着液相粘度增加而降低；传热系数在径向上基本分布均匀，但在壁面附近 传热系数有突增。 利用e u l e r i a n - e u t e r i a n 模型对气液液固j l r 进行模拟。研究了不同操作条件 和物性参数下的流动细节，利用此模型可以获得流动结构的演变规律，这对j l r 的设计和操作，反应过程的优化以及工业装置的经济效益的提高具有指导意义。 关键词：下喷环流反应器流体力学液固传热数值模拟 a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fd e s i g na n ds c a l e u po fp i l o tp l a n tj e tl o o p r e a c t o r l o c a lh y d r o d y n a m i c sp r o p e r t i e sa n dl i q u i d - s o l i dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s w e r ee x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s n em o d i f i e dp i t o t u b ew a ss e tu p w i t ht h ea i do ft h es t a t i s t i c a lt h e o r yo f t u r b u l e n c e ，t h el o c a ll i q u i dp h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s l i q u i d l i q u i d - s o l i d t w o p h a s ef l o wa n dg a s l i q u i d s o l i dt h r e e - p h a s ei nt h ep i l o tp l a n tj e tl o o pr e a c t o r s u c ha st i m e a v e r a g ev e l o c i t ya n dt u r b u l e n tf l u c t u a t i n gv e l o c i t yw e r es t u d y e x p e r i m e n t a l l y i np a r t i c u l a r ，e f f e c t so f t h ej e tl i q u i df l o w r a t e sa n dl i q u i dv i s c o s i t yi n t h ed r a f tt i l b ea n da n n u a lw e r ed i s c u s s e d i ng a s l i q u i dt w op h a s et h er a d i a l d i s t r i b u t i o no fa v e r a g ev e l o c i t yi sp a r a b o l a , i ns o l i d l i q u i dt w op h a s e ，t h e r ei sa s u d d e ni n c r e a s e sb e s i d et h ew a l lo fd r a f t ：i ng a s l i q u i d - s o l i dt h r e ep h a s ei sa m t y p er a d i a ld i s t r i b u t i o no f a v e r a g ev e l o c i t y t h el o c a lg a sp h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s l i q u i dt w op h a s ea n d g a s - - l i q u i d - - s o l i dt h r e ep h a s eo ft h ep i l o tp l a n tj e tl o o pr e a c t o rs u c ha st h er a d i a l p r o f i l e so ft h eg a sh o l d u pa n db u b b l em e a nv e l o c i t yu s i n gad u a l s e n s o rm i c r o - t y p e r e s i s t a n c ep r o b e ，w e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d i ts h o w st l l a tt h eg a sh o l du pa n d b u b b l ev e l o c i t yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ej e tl i q u i df l o w r a t e s ，b u td e c r e a s e d w i t l lt h ei n c r e a s eo f l i q u i dv i s o c i t y p v 4 as o l i dh o l du pa n dv e l o c i t ye q u i p m e n tw a su s e dt os t u d yt h el o c a ls o l i d p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l i d l i q u i dt w op h a s ei nt h em e d i u ms e l f - a s p r a t e d r e v e r s e df l o wj e tl o o pr e a e t o lu s i n gad u a l s e n s o rm i c r o - t y p er e s i s t a n c ep r o b e c o m b i n gw i t l lt h ed u a l n e e d l ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yp r o b et om e a s u r et h es o l i dh o l d u pi nt h eg a s - l i q u i d - s o l i dt h r e ep h a s em e d i u ms e l f - a s p r a t e dr e v e r s e df l o wj e tl o o p r e c t o r e f f e c t so ft h ej e tl i q u i df l o w r a t e sa n dl i q u i dv i s c o s i t yi nt h ed r a rt u b ea n d a n n u a lw e r ed i s c u s s e d m e a s u r e m e n to fe l e c t r i c a lm e t a lt h e r m o - f o i lh e a t e rs u r f a c et e m p e r a t u r ei su s e dt o s t u d yt h el i q u i d - s o l i dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci nl i q u i d - s o l i d g a s l i q u i d s 0 1 i dp i l o t p l a n tj e tl o o pr e a c t o r i tc o n c l u d e st h a th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si n c r e a s e sw i t l lt h e i n c r e a s eo f j e tl i q u i df l o w r a t e s ，d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fl i q u i dv i s c o s i t y a n d t h el o c a lr a d i a ld i s t r i b u t i o no fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti su n i f o r m i t ye x c e p tas u d d e n i n c r e a s eb e s i d et h ew a l l t h ee u l e r i a n e l l l e r i a nm e t h o di su s e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i 0 1 1o ft h e h y d r o d y n a m i c si nt h eg a s - l i q u i da n dl i q u i d - - s o l i dt w o - p h a s et h ep i l o tp l a n tj e tl o o p r e a c t o r i tp r o v e st h a tt h i sm o d e lc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h ee v o l v e m e n to ft h ef l o w s t r u c t u r e ，w h i c hi sf u n d a m e n t a lt od e s i g no f i n d u s t r i a lr e a c t o r s k e yw o r d s ：j e tl o o pr e a c t o r ；h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r s ；l i q u i d - s o l i dh e a t t r a n s f e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基注盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名嘲签字日期：3 “e 年& 月 学位论文版权使用授权书 节 本学位论文作者完全了解岙鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基壅表鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：垤娟 签字日期：2 蚰啐卫月明日 导师签名：蒯 、 签字日期：觚年土月刁日 刖口 喷射环流反应器结合喷射和环流的特点，是一种具有创造性和活力及广泛应 用前景的反应器。其独特的几何特性使其具有结构简单、造价低、易密封、能耗 低、剪切应力低和混合好等优点。目前，j l r 在石油化工、生物化工和环境工程 等领域较常规流化床反应器已显出了很大的优越性，今后还将在其他的领域有着 更为广泛和深入的应用。为将j l r 更广泛的应用于科学研究和工业生产中，需 要在广度和深度上不断研究其复杂的流体力学和传热特性。 目前虽不乏对于j l r 特性的研究，但所考察反应器多为试验室规模尺寸偏小， 关于中试规模的喷射环流反应器特性研究还未见报道。对中试规模反应器的研 究，对于j l r 的优化设计、放大以及工业应用都是十分必要的。为了使下喷自 吸环流反应器得到工业应用，本课题组对中试规模的j l r 进行了深入研究。 试验采用皮托管法测定了气液液固气液固喷射环流反应器中的液相特性， 获得了操作条件和物性参数对规律的影响：液相局部平均液速和液相湍流脉动速 度随着液体喷射量的增加而增大，随着液相粘度增加而降低；环隙内的液相局部 平均液速和湍流脉动速度分布比较均匀；气液两相体系中液相平均速度呈抛物线 分布；液固两相体系中液相平均速度在导流筒壁面附近由于壁面效应的影响平均 液速出现一个突增；气液固三相体系内液相平均速度为m 型分布。 试验采用了微型双探针法测定了气液气液固下喷自吸环流反应器内的局部 气相特性，其变化规律为：气含率、气泡速度均随着液体喷射量的增加而增大， 随着液相粘度的增加而降低。 采用p v 4 a 颗粒浓度速度测量仪测定了喷射环流反应器内局部固含率分布， 结果显示出：液固两相体系下固含率和颗粒速度均随液体喷射量的增加而增大， 液固体系中固含率分布呈抛物线型。采用微型双针和电导双探针结合的方法考察 了气液固三相体系中固含率分布。采用了电加热金属薄膜式表面测温法研究了液 固传热特性。研究结果显示出：液固气液固喷射环流反应器内的液固传热系数 随着液体喷射量的增加而增大，随着液相粘度增加而降低；传热系数在径向上基 本分布均匀，但在壁面附近传热系数有突增。 利用e u l e r i a n e u l e r i a n 模型对气液液固j l r 进行模拟。研究了不同操作条件 和物性参数下的流动细节，利用此模型可以获得流动结构的演变规律，这对j l r 的设计和操作，反应过程的优化以及工业装置的经济效益的提高具有指导意义。 第一章文献综述 第一章文献综述 通过查阅国内外有关环流反应器的研究文献，我们可以看到，众多学者对此 类反应器各个方面进行了大量基础性研究。范镇等【1 】给出了有关环流反应器的详 尽综述。他们指出，环流反应器是鼓泡床反应器的发展，因此从研究方法、研究 内容上来看，与鼓泡塔类似。当然，环流反应器与一般的鼓泡塔反应装置相比， 物料更加激烈地混合，而且在较强的环流推动力作用下，促使反应器内物料定向 运动，提高了反应效率。环流反应器最突出的特点就是环流作用，它确立了充分 的环流流型，使反应器内所有物料通过会合流处的强烈混合区，提高了与固相催 化剂颗粒的接触效率。 环流反应器另一个重要特点是强化了传质和传热过程，减少了死区，提高了 处理能力。很多人研究了环流反应器内气含率，认为环流反应器中的气含率与鼓 泡塔相当【2 捌，与鼓泡塔不同的是环流反应器中的气含率随着喷射速度或环流液 速的加大而增大 4 j 。闻建平【5 j 等在实验室水平进行了下喷自吸环流反应器中液相 特性和气相特性方面的研究，并且给出了液含率分布关联式，反应器吸气量经验 式等。m a o 6 1 、f i e l d s t 7 、w a r n e c k e 8 1 等的报道也指出：环流反应器的不同区域存 在不同混合特性。 环流反应器根据驱动流体循环作用形式的不同，有气升式环流反应器( 简称 a l r ) 和液体喷射环流反应器( 简称m r ) 之分；根据两流体流动方向的不同，有并流、 逆流和混流；根据反应工艺过程不同，又分为一次喷射反应式和利用循环泵将物 料多次循环的喷射环路反应器( 有时简称为环路、环流或回路反应器) 。 喷射式环流反应器结合了喷射( 或气提) 与环流的特点，为了强化环流作用， 在反应器内增设导流装置，导流筒的引入使流场更加稳定，将许多小的涡流循环 强化成一个总的环流，提高了能量效率。随后，人们在内环流反应器的基础上， 又研制出了外环流反应器。 1 1 喷射环流反应器的研究进展 6 0 多年前，m e r t e s 9 3 发现了射流现象可以应用于气液混合反应，从此开创了 喷射反应器在化学工程领域中的应用。喷射环流反应器，结合喷射和环流的特点， 一方面由于高速液体的剪切作用，使气体破碎成非常小的气泡，产生很大的气液 2 第一章文献综述 接触比表面积，提高单位功耗下的传质速率；另一方面，由于喷射推动力和气体 推动力的相互作用，使得反应器内形成规则的循环流动，从而使物料间的混合、 扩散、传质、传热均得到改善；由于没有机械传动装置，结构简单，操作方便， 密封性好等优点，j l r 广泛应用于生物及环境化工过程中，诸如发酵，污水和废 气处理等以及化学工业中的众多多相反应。 喷射环流反应器中液体的流动特性决定了反应器结构的多样性f 川。依据流 动特性，可以将j l r 分为上喷式和下喷式两大类环流反应器，针对不同反应过程 特点，有的反应器内设有导流筒以形成规整环流，也有在喷嘴出口接扩张管构成 文丘里型喷管内形成自然环流。另外，喷嘴进气方式也有不同，以气泵方式引入 称为喷射式喷嘴；气体由液体射流卷吸引入，则为引射式喷嘴。下喷j l r 与上喷 j l r 在反应器性能上基本无本质区别。但由于流向及喷嘴所处位置的不同，相比 较而言，下喷j l r 有如下特点： ( 1 ) 由于气体的引入是在反应器内压力最低点，气体吸入量增加：同时，由于气泡 所受浮力与曳力方向相反，增加气体滞留时间，因此气含率增加改善传质。 ( 2 ) 两相射流在器内竖直下行中，动量不断耗散，存在气泡穿透深度及环流推动 力问题。 ( 3 ) 在三相条件下，对固相的分散有别于上喷j l r 。 在对j l r 性能的研究中，b l e n k e l 4 1 的工作具有开创及奠基性的意义，如表卜l 所示，明确划分了表征反应器性能的不同方面及其表征参数，随后的研究基本上 沿用了上述研究思路和方法。 表卜1j l r 性能及表征参数 性能表征参数 相分散性能气含率，相间比表面积，气泡大小。固体颗粒的含率等 质量传递特性体积质量传递系数等 流动特性循环速度，循环比，流型，压降等 结构特性喷嘴、导流筒及塔器的几何结构参数 混合特性及停留时间分布b o 数，p e 数，分布密度函数等 功耗输入功率分配等 射流性能射流穿透深度，射流作用范围，气体卷吸量等 反应性能反应动力学及热力学数据 3 第一章文献综述 虽然对喷射反应器的研究起步较晚，但其发展迅速，种类越来越多，性能也 得到不断的完善。1 9 3 9 年，f l u g e l 最早提出了可适用于描述单相物质系统中喷射 反应器实验结果的基本理论概念。利用常用的流体管理论建立模型并导出单相喷 射装置的基本计算公式。索科洛夫等较全面地论述了各主要类型喷嘴的结构，阐 述了喷嘴计算的理论和方法，并分析了各状态因素和结构因素等对喷嘴工作性能 的影响。h e n z l 0 1 2 】贝0 系统地讨论了喷嘴的设计优化和模化。而b l e n k e l 1 3 l 对喷射 环路反应器作了较为全面的综述，并划分了反应器性能的不同方面及其表征参 数。随后，d i f i x 等体1 8 1 对反应器的各种性能作了大量研究，并提出不少理论模型。 f i a l o v am 【19 】从工作特性、设计放大及应用等方面对比分析了喷射反应器和机械 搅拌釜反应器，阐明了喷射反应器的优异性能，并指出喷射反应器极有可能取代 搅拌釜反应器成为多相反应器的首选。d u v e e n l 2 0 在此基础上详细总结了喷射反 应器的各种性能，认为喷射反应器作为高性能反应器即将成为气液反应器的设计 标准。 目前工业上主要有两种型式的喷射式反应器：上喷式内环流反应器和下喷自 吸式反应器。此两种喷射反应器是在工业上应用广泛的喷雾塔和鼓泡塔的基础上 发展而来的，增加了气、液相接触面积，强化传质和传热。并且，根据不同生产 要求，还可将喷射式反应器直接与反应塔、反应槽或管道反应器串联使用。 喷 射反应器作为一类新型反应器，有许多独特、优异的性能，其优点可总结概括为： 多相传质性能好：传热能效大：密封性能好，便于高压反应：单位体积输 入功率大：工作体积大，操作弹性好；反应器结构简单，无动件，节约能耗且 便于反应过程的连续化；传质速率和混合效果对反应器规模依赖程度小，便于 工程放大：用途广泛，有环路的反应装置可抑制气液反应时泡沫的产生，从而 有利于生化反应的顺利进行。 1 2 多相流测试技术进展 下喷自吸环流反应器的流动特性，无疑是研究其放大效应的一个很重要的方 面，多相反应器性能的实验冷模研究的测定内容可以概括为以下几个方面m j ：( 1 ) 宏观与局部流体力学参数的测定，如速度、相分布、气泡参数、湍流性质等；( 2 ) 多相间一侧及相间的质量传递及热量传递等；3 ) 压力波动行为的测定，如瞬时 压力、压降等。以往亦有很多学者对j l r 的流体力学特性进行了多方面的研究， 为今后的研究提供了很多有价值的参考，主要考察了操作条件以及反应器结构对 流体力学特性( 气含率、固含率、循环液速等) 及传质特性的影响。 4 第一章文献综述 表卜2 关于喷射环流反应器流体力学的研究情况 t a b l e1 2p r e v i o u ss t u d yo fh y d r o d y a m i c si nj e tl o o pr e a c t o r 研究者实验系统研究内容实验结果 空气+ 水相分散 杨文选等 2 1 1 空气+ c m c + 溶液功耗 ；= 0 3 1 5 7 1 ( d g d ) 2 i 1 4 d g d + 0 5 5 f 3 加 ( 1 9 9 0 ) 1 3 = 1 0 8 m m 混合 h = 1 2 0 0 m m d i r i x 等”4 】 n 2 + 水 学一d 4 圳。畸 5 0 l 反应器 传质 ( 1 9 9 0 ) 射流 文丘里喷嘴 不加导流筒 k l a i v e 2 f 1 3 = 3 1x1 0 - 4r e ： d m a x i a nl i u 瞄l 空气+ 水相分散 ( 1 9 9 2 ) d = 1 4 0 m m 传质 ( 1 一；) l 2嗉) 1 h = 1 0 0 0 m m 功耗 屯“叭矿2 锣7 1 蟹) 0 7 6 p a d m a v a t h i 2 3 】 空气+ 水 相分散 ：= k l u n ( g o ) o5 or e ： 1 + ( a a a r ) i c ( 1 9 9 2 ) d = 1 4 0 m m 结构 h = 1 0 0 0 m m ：。= k i u s ( g d ) o5 r nr e 知+ ( a a a s ) f 1 射流 三：1 0 2 2 8 8 5 5 _ 0 4 6 2 i g f r + 00 1 5 5 0 9 ”) 2 珐 空气+ 纯水c m c 相分散 刘振华等 2 4 1 水溶液+ 玻璃球 流动罢= 2 8 9 x l o - j f r l j s l x s o 1 a r o 0 2 3 9 ( 1 9 9 3 ) d 仁1 0 2 m m 传质 q 工 h = 8 2 0 m m ；= 1 6 6 8 1 0 - 4 r e ，6 7 3 碟1 2 6 j ，1 0 4 一，_ 0 0 2 5 空气+ 水相分散 吴鹏等o q l - 2 0 0 m m 射流 芒“0 2 h 面舌爿】+ 0 0 5 7 ( r ) 2 ”) ( 1 9 9 4 ) h = 1 3 0 0 m m 闻建平1 2 6 】 空气一水， 液速压降法和线一线双探针电导法联合测量 ( 1 9 9 5 ) 空气一水一玻璃珠 气泡特征参改进皮托管法液速测量 h = 8 2 0 m m 数， d = 1 0 2 m m 闻建平【2 - q空气一水相分散气相局部流动参数 ( 1 9 9 6 )h = 8 2 0 m m 流动 1 ) = 1 0 2 m m 测试 5 第一章文献综述 研究者实验系统研究内容实验结果 尚龙安等吲空气一水气含率气含率分布，传质特性 ( 1 9 9 6 )空气一c m c 溶液传质 陈在新等【2 9 1空气一水气相特性， 铲”“言鼍i a ) + 0 6 4x 华 0 3 t ( 1 9 9 7 ) 四室环流反应器循环速度 drd，01 0 - 3 赤7 2 李永祥等1 3 0 1空气一c m c 树脂气含率 和- - - - 0 8 7 3 蝣螂5 5 露 ( 1 9 9 7 ) d r = 2 2 0 m m 传质特性 h r = 1 4 0 0 m m d t = 9 0 m m h 仁1 0 0 0 m m 闻建平p 1 1空气一水 两相局部传质系数随气体卷吸量和液体喷射 ( 2 0 0 0 ) 空气一c m c 溶液局部传质量增加而增加，随着喷嘴直径以及液体粘 h = 8 2 0 m m 度减小而增大 d = 1 0 2 m m 闻建平【3 2 1 空气一水一玻璃球 三相流局部传质系数随着气体吸入量、液体喷射 ( 2 0 0 2 ) 空气一水一塑料球 局部传质量、颗粒密度、以及颗粒直径以及喷嘴直 h = 8 2 0 m m 径、轴向位置的减小而增大 d = 1 0 2 r a i n 汪洋1 3 3 】 水一玻璃球 ( 2 0 0 3 ) h = 1 2 5 0 m m 固体速度采用p v 4 a 型颗粒速度测得导流筒内以及 i ) = 1 9 2 n u n 固含率环隙内固含率分布和固体颗粒速度 任兆刚【3 4 l 空气+ 水 含率 ( 2 0 0 3 ) h = 1 1 0 0 m m 循环时间 l = 1 5 0 m 传质系数 采用光导纤维研究气泡和颗粒特性 s c h l u t e r空气一水一玻璃球 流体力学 m i c h a e l 【3 5 】 d r = 1 9 21 1 1 1 1 1 性能 ( 2 0 0 4 ) h t = 9 5n l l n 采用光导纤维研究气泡和颗粒特性 d t = - 8 0m m 张同旺【3 q 空6 c 水- 玻璃珠 三相流体力考察了三相环流反应器中床层膨胀率、气 气升式环流反应器 ( 2 0 0 5 )学特性含率、循环液速随操作条件的变化规律 6 第一章文献综述 1 2 1 相含率测量技术 多相反应中相含率研究对分析各相流动行为，轴向及径向混合、传热和传质 特性等是很重要的，不仅可为优化设计和放大提供基础数据，并且为建立和完善 反应器内相间作用、相间耦合的流动及传热、传质机理模型提供依据。 相含率测量方法有很多，主要有：电化学法、快关阀法、射线吸收法、射线 散射法、光学法、热学法、核磁共振法和微波法等【3 8 1 。电化学法【3 9 1 ，通过测量 各相分布和电阻抗关系，来确定平均相含率。电导探针法【4 0 强然是接触式测量， 但它不受操作人员熟练程度的影响，可直接给出电信号，响应快，便于与微机联 接，从而提高测量速度和精度，宜进行大样本实时测量。y 、x 射线吸收技术【4 1 】， 其测量原理是当y 、x 射线穿过物质时，射线强度将会发生衰减：射线散射法的 原理是y 射线通过气液混合物时要产生衰减，其中衰减的一部分能量是由康普顿 散射引起的。热学法1 4 2 】是利用热线风速仪来测量气液两相混合物的空隙率，根 据气相和液相的传热系数在大部分情况下有比较大的差异来测量的。脉冲中子法 4 2 j 是使用高能级的中子激活混合流体，被激活的流体产生射线，这种射线的波谱 与多相流体的化学成分及相含率有关，利用一定的函数关系，通过测量射线值得 出相含率。核磁共振法【4 0 】就是处在某个静磁场中的物质的原子核系统受到相应频 率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生共振跃迁现象。 1 2 2 流速测量技术 多相流中单相速度如液速，固体粒子的速度等，是反应器中最根本直接的特 性参数，对反应器内的混合、传递特性等有重要的意义，也是影响反应器优化和 放大的重要因素之一。多相流中测量宏观或局部液速的方法主要有：改进的皮托 管法、电导电极法、热丝、热膜法、激光法、示踪球法、温度场间接测量法等。 上述方法均只在一定场合下适用。 激光多普勒( l d v ) l 4 j 1 利用流场中粒子的m i e 散射，测量散射光对原入射 光的多普勒偏移量，计算粒子的运动速度，实现了对流场的无法接触测量。 粒子图像测速仪( p i v ) 4 4 1 是在流动显示的基础上，充分吸收了现代计算机 技术，光学技术以及图像分析技术的研究成果成长起来的最新流动测试手 段。 皮托管m 1 在单相流测量中的误差一般为1 2 。传统的皮托管用于多相流 的测量时，在接差压传感器测量过程中，由于呼吸作用使气泡进入皮托管， 使测量误差较大，甚至导致无法测量，需要加以改进。闻建平 2 6 1 等人采用改 进皮托管，减小了误差使其可以有效的应用于多相流中的液速测量。 7 第一章文献综述 示踪球法 4 5 1 利用与液体密度相近的示踪球在反应器内随液体运动时通过一 定路径的时间差求得液体运动速度。主要用于估计液体循环速度，此法测量 误差较大。 电导电极法【4 5 】利用电解质示踪剂通过两个定位于反应器内的电导探针问的 时间差，测量液体在某一局部的速度。 皮托管法是目前比较普遍的测速方法，由于测量误差比较大，所以需要加以改 进。我们所指的“皮托一静压管流速计”包括两部分：一部分是皮托管，另一部 分是微压差计。使用时，将皮托管插入所要测量的流场，然后将皮托管根部的两 个输出接头用橡皮管与微压差计连接，这样就可以从微压差计的指示求出流速。 皮托管测速原理：首先需要明确，皮托管所测得的流速是皮托管头部顶端所 对准的那一点的流速。当皮托管没有插入流场时，设该点的流速为u ，压力为疡 为了测出此点的流速u ，我们将皮托管顶端的小孔m 对准此点，并转动皮托管 使其头部的轴线与流向平行。这时，由于插入了皮托管，小孔m 点的流速被滞 止为零，压力由原来的p 交成了p o ，我们称此压力p o 为滞止压力或总压。总压 p o 不仅包含有流体原来的压力p ，还包含有由动能转化为压力的成分。因此，我 们可以说p o 中包含有流速u 的信息。怎样才能将p o 中的流速信息提取出来呢? 关键是要从p o 中将流体原有的压力p 去掉。这一任务是由下游的小孔来完成的。 流体绕过皮托管的头部流到下游小孔n ，需要经过精心设计，总可以使该点的压 力恢复到p ，因而该点的流速为u o 。注意，这是未插入皮托管时小孔m 的压力 和流速值，现在是插入皮托管之后在小孔n 出现。如果保证作到这一点，那么， 小孔n 测得的压力便是p ，习惯上称p 为静压。总压和静压分别通过管路传递到 微压差计上，这样，微压差计的指示就只和流速的大小有关了。 忽略流体的粘性，压缩性，并假设流动是不随时间变化的定常流动。由流体 力学可知，皮托管顶端的m 点和下游的n 点示同一流线上的两点，因此，根据 理想不可压缩流体的伯努利( d b e r n o u l l i ) 方程有以下关系式 垒：堡# ( 1 1 ) p 2 p 、 由此得 ( 1 2 ) 这就是皮托管测速的理论公式。它通过测量总压和静压的压差p o p 来求得流速。 式( 1 2 ) 虽然是在理想条件下得到的，但它反映了皮托管测量流速的主要本 质，即皮托管的作用是把流速转变成压差。需要强调两点：一是皮托管测得的流 速是没有插入皮托管时流场内m 点的流速。插入皮托管是为了将流速转化为压 8 第一章文献综述 强使其包含到总压之中。另一点是静压孔的设计很重要，如何保证它所测得的压 力是不插入皮托管时m 点的压力，这是非常关键的。 1 3 环流反应器传热特性研究进展 目前对于环流反应器的研究大多数是对其流体力学特性和传质的研究，而对 其传热特性的研究很少，尤其是对下喷自吸环流反应器的传热特性的研究还没有 文献的报道。 早期蔡少伟 4 6 1 研究内环流反应器的传热特性，为了在环流反应器中更好的控 温将导流筒兼作热源使用，这样一来热通过导流筒壁面进行传输而不是通过外部 加热套壁面传输了，针对这种新的设计考察了循环液对传热的影响。马晓建等【4 7 】 针对厌氧反应过程的特点，提出了既有内循环系统又有外环流系统的厌氧反应 器，并对其进行了传热实验研究，采用夹套换热，保持反应器内的水温恒定，夹 套内通冷却水，研究了不同外循环流量和冷却水流量下冷却水和筒内恒温水之间 的传热系数。结果发现在固定外循环流量，传热系数随冷却水流量增大线性增大； 固定冷却水流量，传热系数随外循环流量的增大线性增大。 冯伟1 4 s 】等在并流下行式循环流化床反应器气固传热模型的基础上，采用稳态 传热法，测定了下行循环流化床不同操作条件下气固轴向截面传热系数。t h o r s t e n b o g e r l 4 9 】等研究了一种新型环流反应器替代浆式催化反应器，研究了加热套和液 体间的传熟特性，不过作者没有采用常规的传热系数来表示而是采用单位液体体 积移出热量q w 来表示。j l e g r a n d s o 等人对自行设计的夹套式环面环流反应器的 功耗和传热特性进行了研究，因为曲面设计增加了单位传热面积s v r ，结果发 现导流筒壁面与液体间的传热系数与r e 成比例，传热性能要优于搅拌反应器。 综上所述可以看出对环流反应器传热特性的研究还只是初步的，零散的，不深 入的，并且由于不同研究者采用的物系和所用环流反应器不尽相同，得到的研究 结果也不尽相同。而且以上研究成果基本上都是考察了加热( 冷却) 夹套与壁面 间的传热系数，而且主要考察的是液相传热，而对于下喷自吸环流反应器的多相 传热特性方面研究几乎是空白的。 环流反应器具有很高的传热能力，其内部的热交换过程一般由以下几个过程 组成：分散相与流化介质之间的传热，包括气泡与液体之间的传热与液体和固体 颗粒之间的传热；流化床与表面( 壁面或埋入物体表面) 之间的传热，以及固体 颗粒内部的传热等。 目前对于流化床与表丽间的传热机制可以分为两类1 5 1 1 ： ( 1 ) 主要传热热阻是表面上的流体膜，流化粒子冲刷膜使传热热阻减少； 9 第一章文献综述 ( 2 ) 热量由流化态的粒子所吸收或释放，传热速率主要取决于粒子吸收或 释放的速率。 流化床中固体表面和流体间的传热模型，通常可分为传热膜模型、表面更新 模型及边界层理论【5 2 1 。传热膜模型认为在传热表面上存在一层停滞膜，其厚度一 般小于颗粒直径，热量经停滞膜传给粒子，膜内存在一个温度梯度。表面更新理 论模型认为，液体内部的湍动一直会延伸到液体表面，因此会有漩涡不断的将新 鲜液体由内部带到表面，这些液体微元到达表面后与颗粒表面接触一段时间，被 更换，因此固体颗粒表面的液相微元并非保持静止，而是随时与来自主体区域的 微元互换。边界层理论，是基于流体动力学的理论，与膜模型相比假设物体周围 的流体并非停滞不动，实际上有类似于速度边界层的行为。 1 4 多相流数值模拟研究 在实践中，人们往往需要对工程问题中的现象进行预测，预测的实质是在给 定的物理条件下，求解控制着物理过程的若干变量在空间的分布和随时间分布的 演变。在对流动现象进行预测时，从理论上来说，可以通过求解n a v i e r - s t o k e s 方 程来获得，然而工程上绝大多数流体力学问题是高度非线性的，因此通过求解 n a v i e r s t o k e 方程获得解析解是不可能的。随着电子计算机技术和数值计算方法 的飞速发展。人们试图通过数值技术的方法依据边界条件，来直接求解控制方程， 解决具有强烈非线性的流动现象，从而形成计算流体力学这一学科分支。 与实验研究相比，理论计算具有花费少、速度快、信息完整、模拟能力强等 优点。计算流体力学还不是一个很成熟的技术，对流动现象进行预测时，需要对 复杂的流动现象进行处理，然后用数学模型来描述它，计算结果既取决于计算方 法，也取决于数学模型本身，如果数学模型的描述不够精确，甚至不恰当，其计 算结果也就没有任何的价值可言。尽管有缺点，作为一门新兴学科，计算流体力 学将会随着技术的进步和发展而日趋成熟，并将在化工领域得到广泛的应用。 1 0 第一章文献综述 表1 3 前人对两相流动数值模拟研究 t a b l e l - 3p r e v i o u ss t u d yo f n u m e f i c a ls i m u l m i o no f m u l t i p h a s e 研究者反应器类型 研究内容采用的模型及模拟方法 d pf l e g e r t 矧矩形鼓泡床反应器二维与三维层流与湍流对反应e u l e r i a n - - e u l e r i a n 方法 器内液相流动的影响 b a r r u ee ta l 【卅 液固搅拌槽流动形态及浓度场分布情况e u l e r i a n 方法及标准k 一模 型 v v r a n a d ea l 明 气液鼓泡床分布器对流体流动及混合的影e u l e r i a n - - e u l e r i a n 方法 响 l i n ge ta l m l 液固浆态流水平管浆态体积分率、浆态密度、滑3 d 代数滑移混合模型及 移速度大小、浆态平均速度分 r n gk 一模型 布等 a s a k u r ae ta l 5 7 1液固两相流竖直管颗粒运动轨迹及液相局部速度 l a g r a n g i a n 方法及颗粒碰撞 模型 t r a v i se ta l 5 8 1液固流化床s t o k e s 流动区域液固流态化两相流理论模型 e d e l n o i je ta l 5 9 j 气液鼓泡床不同高径比下，气液流动行为 e u l e r - l a g r a n g e 方法 m a r l ap o i l ll 鼓泡床反应器气体分布器对鼓泡床反应器气e u l e r i a n - - e u l e r i a n 方法及 泡分布的影响 j a y a n t a s a n y a l 1 6 l 】 柱状鼓泡床反应器轴向速度分布及湍动能与试验e u l e r i a n - - e u l e r i a n 方法 气液两相流符合较好 r e m u d d ee ta l 【叫矩形内环流反应器反应器模型分别采用二维和三e u l e r i a n - - e u l e r i a n 方法 维进行计算，考察液相循环速 度情况 r s o e ye ta 1 1 6 3 1 气液内环流反应器讨论了不同表观液速下液体及e u l e r i a n - - e u l e r i a n 方法 气体循环情况 p o t a p o ve ta l l 6 4 液固两相流的圆柱模拟含粘性液体及固体颗粒的平滑粒子动力学及分散单 管流动状况元法 x ue ta 1 1 6 s 液固两相流的水平液体、颗粒浆态体系的湍流混两相混合模型及标准k 一 管情况模型 汪洋等删 液固环流反应器 流动状况数值模拟e u l e r - e u l e r 方法 赵飞f 叫外环流反应器考察了表观液速对于流动参数e u l e r - e u l e r 双流体模型 如液速、湍动能等的影响 z w m tp h i l i p l 6 s l气升式环流反应器采用c f x 流体力学软件开发耦合代数多网格方法， 有效预测工业放大效应 第一章文献综述 1 4 1e u l e r 坐标系下湍流流体相的数值模拟方法 目前，对多相流的模拟一般是在e u l e r 坐标系中进行的。在e u l e r 坐标系中对 流体相的模拟已发展了基于r e y n o l d s 时均方程及关联量输运方程的统观模拟 ( r a n s ) 、直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 和离散涡模拟( d v s ) 等几 种方法。其中后3 种能直接得到流体的瞬态流场，而r e y n o l d s 时均的各种封闭模 型只能得到流场的时均值，要想得到瞬时值，它还必须和另外一些求脉动速度的 方法结合起来。在实际工程应用中，人们更关心流动的时均值，而忽略湍流的细 节。因此目前大量的工程湍流计算还是依赖r e y n o l d s 时均方程及关联量输运方程 的统观模拟方法 6 9 4 0 l 。下面分别介绍这几种模拟的方法： ( 1 ) 湍流统观模拟 湍流统观模拟的思想是用低阶关联量或时均量，来对雷诺时均方程及湍流特 征量输运方程中的未知的高阶关联项进行模拟，从而使雷诺时均方程封闭。总体 上，这些输运关联项的不同湍流模型可分为基于各向同性及b o u s