（化工过程机械专业论文）气液固三相气升式环流反应器流动特性研究.pdf

摘要 气升式环流反应器( 简称a l r ) 是近年来在鼓泡反应器基础上发展起来的一种多相 反应器。气升式环流反应器利用气体的喷射动能和气液密度差，实现流体在反应器中的 循环流动，从而达到传质、混合的目的。由于该设备没有搅拌装置，动力消耗低，对菌 体的剪切力小，噪音小，结构简单，无泄漏，易于大型化等优点，已在化学工业、生化 工程、环境工程以及煤的液化加氢等领域得到了广泛应用。 目前对气升式环流反应器的研究大多集中在气液两相体系，而对气液固三相体系研 究相对较少。本文结合实验与数值模拟手段，以气升式环流反应器作为研究对象，模拟 反应器内多相体系，对其流体力学、混和特性进行冷模实验研究；同时利用f 1 u e n t 软件 进行计算模拟，探讨固体性质、固含率以及表观气速对流体流动特性的影响规律，本文 的研究对此类反应器的设计和放大以及操作条件的优化具有重要的指导意义。 本课题主要的研究内容及成果如下： 1 ) 在对气升式环流反应器气液固三相流体流动分析的基础上，将液相视为连续相， 气相和固相视为分散相，同时考虑进入各相之间的相互作用，结合气液固三相流体的动 力学理论建立了气液固环流反应器三相湍流流动的e u l e r i 觚模型。 2 ) 运用f l u e n t 软件对模型进行求解，通过求解得到了气液固三相流场、速度场、 局部气含率分布以及不同固含率对反应器内流场影响等详细信息，定量地表示了气升式 环流反应器内流体流动状况。采用两步法，在稳态流场的基础上计算得到了混合时间、 循环时间。模拟结果显示了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 ) 实验采用已有的一套西1 5 0 3 0 0 0 气升式环流反应器试验装置以及数据采集系 统，选用直径分别为o 3m m 、0 6m m 和lm m 的石英砂固体颗粒、自来水和空气为实 验的三相体系，实验结果与模拟结果较为一致，说明应用该模型对气液固三相a l r 的 工况模拟与预测是可行的。 关键词 气升式环流反应器f l u e n t 三相流固体颗粒 a b s t r a c t a b s t r a c t a i r l i rl o o pr e a c t o r ( a l r ) i sak i n do fm u l t i p h 弱er e a c t o r sw h i c hi sd e v e l o p e d b a s e do nt h eb u b b i ec o l l u l 】nr e a c t o r m a k i n gu s eo fd i f f e r e n c eo ft h eg a sj e tk i i l e t i c e n e r g y 绷d t h eg 硒- l i q u i dd e n s i t y ，t l l en u i di i lt h ea l r c 孤c n u l a t e ，锄dh i 曲q u a l i 够o f m 硒s 仃锄s f e r 弱w e l l 勰g o o dm i x i n gc h 2 u r a c t e r i s t i c sc a nb eo b t a i l l e d s i n c em e r ei sn o a g i t a t o r 锄di t h 勰t i l ea d v a l l t a g eo fl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，t i n ys h e 盯f o r c e ，s i m p l e s 伽l c t u r e ，n ol e a k a g e 觚de 舔i l ys c a i e - u p ，w i 也a l l 廿l e s es 仃o n gp o 协t s ，a l rh 勰b e e n w i d e l yu s e dmm 锄yf i e l d ss u c h 觞c h e m i c a li n d u s 订y ，b i o e n g i n e e r i n g ，e n v i r o m e n t a l e n g 访e e r i l l g 孤dh y d r o g e n a t i o no fc o a li i q u e f a c t i o n ，e t c r e c e n t l y ，r e s e a r c h e so nt h ea l r a r em a i n l yf o c u s e d0 nm ea n l i q u i dt w op h a s e s y s t e m a n d 廿1 er e p o n sd e a i i n gw i t l lt h e g a s - l i q u i d s o l i dt l l r e e - p h 觞es y s t e m i s r e l a t i v e l yl e s s c o m b m e dw i t l lt t l en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 觚dt h ee x p e r i m e n t a ls l l r v e y ， t l l ec o l dm o d e le x p e 慨e n ts e ti ss e n 访gu pt os t u d yt l l eh y d r o d y n a m i c s 如dt i l em 恢i 1 1 9 c h a r a c t 丽s t i c sf o rm em u l t i - p h 硒es y s t e mi 1 1t l l ea l r ；m e a n w h i l ef l u e n ts o m ) l ，a 他w 邪 u s e dt os i m u l a t em ef l o wf i e l do fa l r a n dt h ee f r e c t so fm es o l i dp r o p e n i e s 锄d s u p e r 行c i a lg 弱v e i o c i t i e so nt h ef l o ws t a m sw e r es t u d i e d n i ss t u d ys u p p l i e sg o o d r e f e r e n c e sf o rd e s i g n i n g 觚ds c a l e u pr e a c t o 璐o ft l l i st y p e 觚do p t i i i l i z i i l go p e r a t i o n c o n d i t i o n s m 旬o rr e s e a r c hw o r k 锄d c o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e d 懿f o l l o w s ： 1 ) b 弱e do nt l l e 锄a l y s i so ft i l ef l u i di 1 1a i r l i rl o o pr e a c t o 璐，am a t i l e m a t i c a lm o d e l f o rs i m u l a t i n gg 笛l i q u i d s o l i dt h f e e - p h 船et u r b u l e n c en o ww 觞e s t a b l i s h e d i l lt i l i s m o d e l ，也el i q u i dp h 邪ei sr e g a r d e d 弱c o n t i n u i t y 锄dm es o i i d 锄dg 觞p h ea r e r e 9 2 u r d e d 弱d i s p e r s e dp h 弱e t h em t e r a c t i o nb e t 、) i e e n d i 能r e n tp h a s e sw 丛a l s o c o n s i d e r e di nm i sm o d e l 2 ) t h ee q u a t i o n sw e r es o i v e db ym e a n so ff l u e n t t h ep r o f il e so ff l o wf i e l d ，l o c a l g 弱h o l d u p ，v e l o c i t yf i e i d 锄dt i l ee f f e c to fv a r i o u ss o l i dh o l d u po nm ef l o w1 f i e l d ，e t c w e 他0 b t a i n e d a n dt h ef l o wi i lr e a c t o rw 觞s h o w e dr o u n d l y t h em i x i n gt i m ew 弱g o t 硕士学位论文 b yt t l e 铆o - s t e pm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ea i r l i f t 1 0 0 pr e a c t o rh 邪 m a n yc h 2 u r a c t e r i s t i c ss u c h 雒w e um a c r o - m i x i n g ，l o wd e a d z o n ev o l u m e 姐dr e g u i a r n o w 3 ) as e to fe x p e r i m e n t a ia p p 2 u r a t l l sw i t l la 15 0 3 0 0 0a l r 锄dac o m p u t e ra d s y s t e mw 硒u s e dt om e a s u r et l l en o wf i e l d0 f 也et h r e ep h a s es y s t e mw h i c hi s c o n s t i t u t e db yt a pw a t e r ，a i ra n dq u a r t zs a n dw i t had i a m e t e ro fo 3 m m ，0 6 m ma n d lm m t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee x p e r i r n e n t a lm e a s u r e dv a l u e 锄dt 1 1 en u m e r i c a l s i i i l u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d m a tt h e yh a v et h es 锄ed e v e l o p m e n t 仃e n d s t 1 l ea p p l i c a b i l i t ) ， a 1 1 d 也er e l i a b i l i 够o ft i l i sm o d e lw e r ev a l i d a t e di nd e s c r i b i n gt h eg 硒l i q u i d - s 0 1 i dt h r e e p h 嬲e a l r k | e y w o r d s ：a i r l i f tl o o pr e a c t o r ；f l u e n t ；t l ：l r e ep h 弱ef l o w ；s o l i dp a n i c l e i n 硕士学位论文 1 1 环流反应器概述 第一章绪论 环流反应器是近年来在鼓泡反应器基础上发展起来的一种高效气一液，气一 液一固以及气一液一液的多相生物反应器。该反应器由于其结构简单，流体易定 向流动，减小了液相的无规则湍动，易获得较高的循环液速；同时反应器内总体 气含率较高，气泡比表面积以及体积传质系数较大，有利于反应物的混和、扩散、 传热和传质，因此目前环流反应器在化学工业、石油化工、生物工程以及环境工 程中已有着广泛的应用。 三相流态化的研究领域十分广泛，主要研究集中在三相环流反应器的颗粒密 度对反应器流体力学和传质行为的影响、气泡的聚合破碎、气泡速度、流体的粘 度和表面张力等物理性质对反应器流体力学的影响。目前国内对三相环流反应器 的研究不是很多，主要研究工作在对三相环流反应器流型的划分、相含率的测定、 传质和传热的规律、气泡的特性以及对新型设备的研究上【1 】【2 】【3 】。 1 2a l r 结构及原理 1 2 1a l r 结构 气升式环流反应器( a i r i i rl o o pr e a c t o r ，简称a l r ) 主要由上升管( r i s e r ) 、下 降管( d o 、釉c o m e r ) 和气液分离区( g 弱1 i q u i ds e p a r a t i o nz o n e ) 三部分组成，根据 上升管和下降管的布置，可以把反应器分为内循环式和外循环式，即气升式内环 流反应器( i n t e m a la i r l i r1 0 0 pr e a c t o r ，队l r ) 和气升式外环流反应器( e x t e m a la i r l i r l o o p 陀a c t o r ，e a l r ) 结构如图l - l 所示。由图可以看出，内环流反应器是由两个 同心圆筒构成，通常内筒作为导流筒上升管，两筒环隙作为下降管，循环在反应 器内进行，结构比较紧凑。外环流反应器将下降管置于反应器的外部，上升管和 下降管是分开的，方便控制上升管和下降管的操作条件。如应用于光合作用的反 应中，为了使生物在上升管内发生光化合反应，而在下降管内发生暗反应，可以 第一章绪论 只给上升管以足够的光照条件。 i 空气 ( a ) 内环流天 空气 a ) 外环流式 图1 1 气升式环流反应器结构示意图 f i g 1 lc o n f i g u r a t i o nt y p e so fa i r l i f tl o o pr e a c t o r 1 2 2a l r 工作原理 气升式环流反应器的能量来源一般是压缩空气，以压缩气体膨胀做功为动力， 靠导流装置的引导，形成气液固混合物的总体有序循环。向上升管通入气体，气 体作为分散相在上升管内以气泡的形式向上运动，使管内气含率升高，比重变轻， 气液固混合物向上流动，气泡至液面处部分气泡破裂，以气体形式由排气口排出， 还有少量气泡被液固混合物携带进入下降管，由于重力作用沿下降管下沉，形成 循环。气升式环流反应器在低通气量下，仅仅是液固相循环；高通气量下有部分 气泡跟随液固相循环。 1 2 3a l r 优缺点 与传统的鼓泡塔、机械搅拌釜相比，气升式环流反应器的性能要优越的多， 三者性能比较见表1 1 。 气升式环流反应器的主要缺点是下降管内气含率较小，接近壁面处气含率接 近0 ，从而使得下降管内部分区域成为无效的反应体积，大大降低了反应器的效率， 为了提高反应器的效率就必须采取一定的措施确保下降管内保持有足够的气含 率，使得反应器内各处均能高效地进行反应。目前很多研究者对气升式环流反应 器的结构方面进行了优化研究，如改进结构，采用多级环流反应器串连或者并联【1 1 ； 刘梦溪【2 】【3 】采用加入外界泵的辅助，中心强化式来补给结构上的不足，均取得了一 硕士擘位论文 定的成果。 表1 1 三种反应器的比较 t a b l e1 1c o m p 撕s o nb e t 、v e e nt h r e ek i n d so fr e a c t o r s 1 3 三相a l r 的操作方式和流型 1 3 1 气液固三相a l r 操作方式 气升式环流反应器内气液固三相流动是一种复杂的流动过程。具有多种操作 方式，这些操作方式可因连续相的不同、相对流动方向的不同、固体颗粒运动方 向的不同以及固体颗粒尺寸的不同而不同。例如，气相和液相都可以做连续相， 也都可以做分散相：气相和液相可以并流向上、并流向下、逆流或者错流运动： 固相可以固定、悬浮或输送方式运动，可以向上或者向下运动，可以与气相和液 相一起进入系统，也可以单独引入系统；固体颗粒尺寸可以小至几个微米也可以 大到几个毫米。f 肌【4 】对气液固三相流化体系进行了分类。国内外对气液固三相 3 第一幸绪论 环流反应器的研究所用的颗粒当量粒径大多大于1 m m ，而对颗粒直径较小的体系 研究较少。 1 3 2 气液固三相a l r 流型 流型是流体动力系统一个极其重要的特性，反应器内流型比较复杂【5 】，不同流 型下反应器内流动、相间质量及热量的传递差异很大，因此准确识别反应器中的 流型是进行工业设计和放大的前提。针对气液固三相流并流向上的流型转变， m i l l e r 和c a i n 【6 】根据漂移通量的概念建立了流动三相体系的流型判别式，当表观气 速从小变大，流动形态从均匀的气泡流逐步转变为团状流或活塞流。得到了划 分鼓泡流、鼓泡一栓塞流、栓塞流及泡状流的流型图。但是在不同的流动状态下， 得到的经验关系式是不同的，具体情况下产生流动形态的转变与实验所采用的气 液固物性、量以及反应器结构操作气速等都有关系。 宝山胜彦【_ 7 】在直径为6 c m 的三相流化床中考察了流动状况，提出了流型分区 概念。指出流动状况按照气泡直径d p 分为3 个区域：1 ) 聚集鼓泡流区( d p l n u n ) ； 2 ) 分散鼓泡流区( d p 2 m m ) ；3 ) 节涌流区。对流区的划分是在流体通量比较宽的范 围内进行的。当表观气速超过l o 州s ，气体即变为连续相状态。 固体颗粒与体系的流动状态( 流型) 紧密相关，因此针对不同的流动状态， 建立描述相应参数的特定的量化表达式以及确定流动状态相互之间发生转换所对 应的临界条件就成为大量研究者的新的研究方向。 1 4a l r 研究现状 气升式环流反应器内气液两相、气液固三相流动是比较复杂的流体流动过程。 反应过程基本上都是气体通过气一液界面溶解在液体中再进行反应，因此反应过 程中的流体流动状况( 流体力学特征) 、混合状况以及溶解状况是控制性步骤，所 以着手研究反应器的流体力学、混合特性以及传质特性尤为重要。 1 4 1 气含率的研究 描述流体力学特性的主要参数包括：气含率、液体循环速度、固体颗粒的分 布等。气含率表征的是反应器中气- 液两相或气- 液- 固三相中的体积比，它与体 - 4 硕士学位论文 系相接触面积密切相关，是气相平均停留时间的函数。气含率影响气液传质和循 环液速，是反应器的基本参数之一。 气含率测定方法较多，有体积法( 又称床层膨胀法) 、重量法( 主要是压差法， 被分为正压差法和倒置u 型压差法) 、电化学法( 有电阻法、电导法、电阻抗法) 、 光学法( 有激光法、射线法、光导纤维法、照相法) 四大类【8 】，目前常用较普遍的体 积法测定全塔平均气含率，即利用通气前的后床层膨胀高度的变化计算气体体积 分数& 。 影响气含率的因素很多，相互间关系错综复杂，其主要因素有气速、液速、 固含率、固粒直径、反应器的几何结构、液体的物性等。沭方平 9 】研究了气体分布 器的形式、体系的聚并特性及静液面高度对外环流反应器约气含率和环流液速的 影响。实验结果显示，对于空气一l 乙醇体系( 非聚并体系) ，气体分布器的形式 对外环流反应器的气含率及环流液速有显著的影响；在相同的操作条件下，非聚 并体系( 空气一l 乙醇体系) 的气含率及环流液速明显高于聚并体系( 空气一水体 系) 。静液面高度对下降区的气含率有较大影响。刘永强【i o 】系统研究了反应器的高 径比、喷嘴位量、喷嘴结构、两管中心距均对反应器内流体动力学和传质有影响， 且不同结构参数下气含率和液体体积传质系数随气速的变化趋势大体相似。文献 【1 l 】对空气一水一藻酸钙珠体系研究时得出：气含率随着表观气速的增大而增大， 且在低气速下气含率呈线性增加，在高气速下气含率增加很小，气含率随着固含 率和固体直径的增大而减小。 王红心【1 2 】等人改变气升式内环流反应器内导流筒直径，采用水一空气一玻璃珠 介质，研究表明：相同的导流筒，固含率增加时，反应器内平均气含率增加；在 固含率一定的条件下，平均气含率随玻璃珠直径增大而增大；系统温度增加而平 均气含率降低。 刘梦溪【2 】【3 】等人采用中心气升式强化环流反应器，之所以说强化是因为普通的 气升式环流反应器是依靠内外环间流体密度差产生环流的，而强化内环流反应器 在此基础上增加了泵的强化外循环，进一步加强了液体的环流速度和环流量。实 验采用空气、水以及密度为8 8 1 6k 咖3 ，平均粒径为2 4 3 岬的低压聚乙烯( 5 0 0 0 s 粉料) 。实验测量局部气含率，发现固体对气含率影响不大。同时根据漂流通量模 型推导出了环流反应器内环平均气含率模型： 第一幸绪论 三心岛4 匕 2 3 一等以4 2 一1 4 砒k 一知) 一孚岛4 一h g ( 吃+ 一) + 风j c 扩c ：一风4 孚+ 华 + 慨+ 岛g ( 乃+ 帆+ 岛4 g = o ( 1 1 而外环气含率由c h i s t i 【1 3 1 的推理：外环平均气含率与内行平均气含率成线性关 系，即 s = 口s 矿+ 6 ( 1 - 2 ) 比较实验数据值和模型计算结果值，误差不超过2 ，说明了模型的可靠性。 1 4 2 循环液速巩的研究 循环液速是气升式环流反应器的重要流体力学参数，液体循环速度不仅影响 着反应器内流体的湍动以及混合特性，还影响颗粒的悬浮、温度和浓度的均匀性， 而且和传质、传热系数有着密切关系【1 4 1 。 目前测定液体循环液速的方法可分为浮子法和示踪法。浮子法仅能用于测量 平均液相循环速度，而且误差较大。示踪法又分为单电导仪法和双电导仪法。目 前，大多数研究者采用电解质溶液脉冲示踪法。 c h i s t i 【1 3 】等从能量方程出发，通过建立推动力和阻力之间的守恒关系推倒得出 的液体循环速度理论方程最具有典型的代表意义，而且其理论观点也被广为接受 和采纳。其中推动力主要是由上升管和下降管流体的密度差提供： 一 吮【( 一d 概擅 ( 1 - 3 ) 得出的液体循环速度的理论表达式为： u 工，= 兰丝旦! 垒二红2 黠呜，2 滞 ( 1 4 ) 此模型定量地描述了气含率、循环压降、液体循环速度之间的关系。由此可 以看出，对于两相体系中液体循环速度的预测，仍然需要对给定设计和操作条件 下的上升管、下降管的气含率以及总体的压降大小有精确的了解。 硕士学位论文 三相体系中，由于固体颗粒的存在给反应器流体力学模型的建立增添了一定 的难度。通常把固体密度与水接近的轻颗粒体系作为与两相体系相似处理，在整 个反应器中，可近似的把液固混合液作为拟均相处理，使之简化为两相体系【l i 】 1 5 】； 对于固体密度比水密度大很多的重颗粒体系，则必须要考虑固液之间存在滑移速 度，造成固体颗粒在上升管和下降管之间分布不均匀给流动推动力带来的负面影 响作用【6 】 1 7 1 。s h y h - - j y e 【1 8 】等和l i v i n e s t o n 【1 卅等对三相内环流反应器循环液速研究 时均得出以下结论：循环液速随导流筒长度的增大而增大，随着导流筒直径减小， 上升管液速增大而下降管液速减小。 1 4 3 体积传质系数虬口的研究 体积传质系数鼠伉是评价气升式反应器优劣的最主要特征参数之一。测量体 积传质系数主要有化学法和物理法【1 9 】。化学法主要有亚硫酸钠空气氧化法和氢氧 化钠水溶液吸收二氧化碳法。多数实验结果表明，由于化学反应加速了物理吸收 速率，故用化学法测定的体积传质系数值偏大，而物理法则克服了这一缺点，即 用溶氧电极检测水中溶氧的浓度变化，由于未对物系施加其它作用，故其反应了 实际流动情况。 相间传质是一个比较复杂的过程，它涉及到很多难以解决的问题，这为深入 研究传质机理带来了很大不便。目前已经提出了一些描述气液相间传质机理的模 型，如双膜理论模型( t w o f i l mn e o 拶m o d e l ) 、溶质渗透模型( p e n e 仃a t i o nm o d e l ) 以及表面更新模型( t h es u r f a c e r e n e w a lm o d e l ) 等，其中最为流行的是w h i t m 锄 2 0 】 提出的双膜理论。由于该模型假定相界面处气液两相呈平衡状态，相间传质的阻 力全部集中于两层虚拟膜中。 目前对气升式生物反应器容积氧传质系数的研究已经取得了较大的进展，很 多学者通过对各自的反应器氧传质性能的研究得出了一些经验或半经验公式来描 述容积氧传质系数与各影响因素的关系。影响液相体积传质系数的因素主要有： 操作气速、反应器结构参数、固含率、液体物性等。其中操作气速是影响鼠仅的 重要因素。气速增大增大，气泡数量增多，气液相界面积增大，气液传质能力 加强，鼠仅增大，而液速对鼠a 影响不大。欧阳平凯【2 l 】等在对空气一氯化钠溶液 一固体颗粒体系研究时得出： 第一幸绪论 即= ( m o s - 7 7 ) ( ，+ ) 乞7 删1 ( 1 - 5 ) 从上式可以看出随着气速的增大鼠a 也在增大。刘永民 2 2 】等人深入研究了多 管气升式环流反应器认为体积传质系数与两个上升管表现气速均有关，气速较低 时，体积传质系数随气速的增加明显增加；当每个上升管气速都超过0 0 6 1 2i i l s 时，体积传质系数反而下降。 1 4 4 固体颗粒分布及固体流型 根据固体颗粒的运动状态，气液固三相环流反应器可分为固定床、膨胀 床、循环床。当气速较低的时候，固体颗粒沉积在反应器底部，颗粒间无相对 运动，此时为固定床区( p a c k e db e dm o d e ，p b m ) ，在该区存在一个最小流化气速， 此时固体颗粒处于运动状态。当气速增大，颗粒开始被流化并做无序运动，此时 为流化床区( 1 f i u i d i z e db e dm o d e ，f b m ) ；继续增大气速，颗粒床层逐渐膨胀，当 气速达到一定数值后，颗粒床层膨胀至反应器顶部并开始循环，此时为循环床区 ( c i r c i u l a t e db e dm o d e ，c b m ) 。 在固定床区和流化床区，颗粒床层的膨胀高度是考察反应器内流动行为的一 个重要参数。由于静止颗粒高度不同，膨胀高度的起始位置也不相同，为了研究 方便，定义膨胀率为一定表观气速下膨胀高度与静止高度的比值。在固定床流区， 颗粒床层的膨胀率为l 。加入大颗粒具有强化传质的作用，但是颗粒循环使得上升 管内的大颗粒浓度降低，不利于强化传质，且循环液速过高也使得气相停留时间 缩短，不利于反应器性能的提高；对于一些液相连续操作的环流反应器，过高的 床层膨胀率会使部分颗粒被夹带离开反应器，不仅增加了分离的难度，还会降低 反应器的传质性能【2 3 1 ，这样的情况对于三相气升式环流反应器的运行是不利的。 由上面的描述知道，在固定床区存在一个使固体流化的最小气速，也就是说，上 升区液速高于颗粒的沉降速度是固体参与循环运动的前提条件。循环床是三相气 升式环流反应器的正常运行模式，达到这种流型所需的操作条件也是设计的主要 依据。正如上文所述，由于此流型下循环运动的推动力必须考虑固体分布的影响 作用，一般需要通过附加固体连续性方程来描述固体颗粒在上升区和下降区内的 分布情况，在表达式中，固体颗粒相对应壁面的运动速度是通过液体循环线速和 硕士擘位论文 固体颗粒的终端沉降速度来表征的【2 4 1 ，具体表示如下： u 8 l ra r = u l dss da d ( 、6 ) = 南一虬 “一 = 嘲+ a 。8 其中4 表示横截面面积( m 2 ) ，u 表示液体循环线速度( 1 n s ) ，表示相含率。 下标，d 分别表示上升管和下降管；g ，s 分别表示气液固三相，f 表示时间( s ) 文献 2 3 】通过加入不同粒径颗粒、以及不同的颗粒装填量在不同的表观气速下对 外环流反应器各流体力学参数的影响。研究结果发现：在固定床区，气含率随表 观气速增大较快，而随循环液速变化很小；在流化床区，气含率增大的趋势减弱， 而循环液速随表观气速的升高而增大。在相同的表观气速下，床层的膨胀率和循 环液速随颗粒直径或静止颗粒高度增加而降低；气含率随粒径的增大稍有降低， 随静止颗粒高度的增加而增大。研究发现在许多工业过程中，过大的表观气速使 循环液速过高、气相停留时间过短、转化效率降低，所以合适的液速对于改善相 间传质、提高生产效率具有重要的意义。因此在工业过程中，可以通过加入适量 的大颗粒，大颗粒的加入具有破碎气泡和抑止循环液速的作用，可以增加相界面 面积，强化传质，并且可以通过颗粒尺寸与颗粒装填量间的优化组合，将液速控 制在合适的范围内，达到控制液速、延长气相停留时间和提高反应器性能的目的。 g a r c i a c a l v o 【2 4 】等人在h e i j n e n 【2 5 】提出的预测大型反应器内液体循环速度的计 算模型基础上，针对高密度固体颗粒的三相体系流体流动提出了一个类似的计算 模型，此模型不仅可以预测液体和固体的循环速度以及气含率等，同时还可以预 测三相固体流型直径发生转变所对应的临界气速。h w 锄g 【1 5 】和f r i e t a s 【2 6 】也相应的 建立了可准确预测低密度固体颗粒三相体系流动行为的流体力学模型。各模型预 测值与相应研究者在特定实验条件下测得的实验数据均取得了较好的吻合。但是 由于不同的研究者实验所使用的固体颗粒不同，物性不同，大小不同( 尺寸是0 1 3m m ，密度是1 0 2 l 3 7 0 0k 咖3 ) ，不同的固含率( 0 4 0 ) ，不同的液相体系( 聚 并和非聚并体系，牛顿流体和非牛顿流体) ，在不同的操作条件下( 表观气速不同， 压力不同，温度不同) 以及不同的环流反应器的构造( 内环流、外环流和方形环 第一幸绪论 流反应器) ，从而使得不同的模型建立的时候一些特定的参数值之间存在较大的差 异，尚且有待于在特定参数值的选取和确定方面展开进一步的研究，以提高模型 的普遍适应性。目前，三相气升式环流反应器的设计和放大仍然是一个艰巨的任 务，人们正在开发计算流体软件以及借助一些经验关联式来达到优化设计的目的。 1 5 a l r 数值模拟方法研究 1 5 1 计算流体力学( c f d ) 简介 计算流体力学 2 7 】( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd ”a m i c s ，简称c f d ) 是以流体力学理论 为基础，依托计算机来进行数值模拟，为环流反应器的多维理论研究带来新思路和 新方法，在很大程度上代替了耗资巨大的流体力学设备，在环流反应器的研究开 发中起着举足轻重的作用。 c f d 可以看作是在流体流动基本方程( 质量守恒、动量守恒以及能量守恒方 程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题流场 内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度以及浓度等) 的分布，以及这 些物理量随时间的变化情况，确定相应的漩涡分布特性、静压力分布和气含率分 布等等。 环流反应器由于内部流体有单相，两相和多相之分，因此对反应器的研究也 就出现了单相，两相以及多相流体力学理论的研究。 到目前为止，单相流体力学理论已经比较完善。 两相流动是研究包含两种相态的复杂混合物的运动的流体力学的分支，两相 流有气一液流，液一固流和气一固流等，对于由不相溶的两种液体组成的液液流， 在运动规律上与气一液流和液一固流很接近，因此也可以视为一种两相流。对于 两相流，目前已经有很多分析研究，但是两相流由于其本身流体力学的复杂性， 计算也带来了一些麻烦。而计算流体力学在这个方面也有待深入研究。 多相流相对于单相和两相而言要复杂一点，多相流动指的是多种相( 3 种或者 3 种以上) 都同时存在的体系，比如空气一水一沙、气一油一沙等这类三相流和气 一油一水一沙等这类四相流。也有把几种粒径的气体一颗粒流也称为多相流。与 两相流动情况类似，多相流动的控制方程需要多个相的流体力学方程及多相之间 硕士学位论文 的传递方程，此外还有一些附属性方程( 不可压缩流体的密度方程，作用力方程 等) 。不少人也在这方面进行了研究。但是由于多相流的复杂性，在环流反应器的 研究中对其作了很多的简化，将多相流看作拟两相甚至是拟均相流动。因此对多 相流的研究包括流场的计算、测定以及物质之间的传质将是今后流体力学的一个 主要方向。 1 5 2c f d 在a l r 中的应用研究 1 5 2 1 气液两相流一维模拟 模型假设反应器中的流动为一维定态流动，林文才【2 8 】从基本的流体力学方程 出发，全面考虑了气升式内环流反应器中的气体浮力、壁面摩擦力和相间相互作 用力等，建立该反应器中较为通用的一维c f d 模型，然后运用四阶r k 法沿轴向 逐点求解，得到整个反应器的流体力学方程组。其计算结果与实验结果误差小于 3 0 ，整个模型合理且可靠。相比较那些加入大量假设条件和经验参数之后的对 反应器进行分段衡算的分析，这样的模型具有更强的适应性，可以更好的应用到 别的模型上，减少了大量的计算量，对生产有更好的指导意义。 1 5 2 2 气液两相流二维模拟 目前基本上都是采用二维模型模拟环流反应器，二维c f d 模型考虑了流体环 流速度在径向上方向上的梯度比一维模型考虑的更全面。l i nw e n c a i 【2 9 】等用二维双 流体模型和湍流七一s 模型对气液流场进行模拟计算，得到气升式内环流反应器二 维的速度场、压力场、能量耗散场以及气含率分布，并且从流场当中估算出场内 的剪切速率、剪切力。模拟的计算值和实验值吻合很好，验证了模型的可靠性和 准确性。周少奇【3 0 】等采用时间分裂法和有限元法对气升式内环流反应器下降段的 流体动力学一s 方程进行求解，获得二维速度场、压力场和剪应力场，表明锥结 构对反应器有重要的影响。薛胜伟【3 l 】考虑到气升式内环流反应器具有对称性结构， 为了节约计算时间，采用通过轴向的垂直截面将其分成对称的两部分，只对其中 的一部分创建几何结构及网格划分。为了减少假扩散，提高解的收敛和求解速度， 网格划分采用在正交圆柱坐标下的结构化网格。在此基础上采用双流体模型和气 第一幸绪论 液两相流体动力学理论建立a l r 内流体流动模型，利用f l u e n t 软件计算，模拟值 与试验值吻合较好，说明了该模型的可靠性。z h a n gj i n l i 3 2 】等采用v o f 模型和标 准的湍流七一8 模型模拟了鼓泡反应器的气液流场，研究了气体的喷射速度、空塔 速度、液体速度等对反应器性能的影响。v a nb a t e n 【3 3 】等采用e u l e r - e u l e r ，七一8 模 型模拟认l r 内气液两相流动，同时考虑了气泡和液体之间的相互作用力( 动量转 变、拖曳力等) ，研究了不同的进气速度之下对气体气含率以及液体循环速度的影 响，模拟和实验的结果进行对照说明，认l r 是可以采用二维的轴对称图形来简化， 比三维模型的计算量要少很多。 1 5 2 3 气液固二维双流体模拟 气液固二维双流体模型即将液相和固相处理为拟均相。t 0 r v 汰和s v e n d s e n 【3 4 】 等利用液固拟均相的二维双流体模型模拟了流化床反应器气液固三相浆状流动， 模拟了浆状流液速、气含率和湍流动能等参数，得到与实验较一致的结果。模型 特点是液固拟均相，以液相湍流七一8 模型为基础，对气相的湍流模拟采用局部跟 踪理论。忽略气液相间的应力，主要考虑气液间的相互作用力：曳力。罗运柏【3 5 】 等用拟两相的双流体模型计算了三相鼓泡床中的气含率和液体轴向速度，讨论了 气、液表观速度对气含率和液体轴向速度分布的影响。计算结果表明将固含率较 低的三相体系处理为拟两相，模拟结果和实测值一致。 闻建平【3 6 】等在e u l e r 坐标中考虑气液两相，同时在l a 伊觚g e 坐标系中考察了 颗粒的运动，把颗粒对气液两相的影响耦合于双流体模型中，然而此模型中并未 考虑到气泡直径和颗粒大小对流体流动状态的影响，所以模拟条件与实验条件仍 有一定距离 o e y 【3 7 】等采用d i s s i m ，用两流体模型对n l r 进行了气液、气液固三相两维 模拟。得到不同表观气速下流体的流动行为，得到三种气泡运动区域的气速的临 界值；模拟得到稳定的气液流场后，加入固相，将固相看作是分散在液相中的离 散相，由于液相的湍动能远远大于液固之间的重力滑移力和固体在液体中所受到 的浮力，所以忽略这两个力，把液体和固体看作一相，气体作为一相，于是作拟 两相流。模拟结果表明，如果不考虑湍流耗散，固体最后会沉积在“死区 ，反之， 在液体速度最小的下降管的底部会得到固相分布均匀而且固含率较高。 硕士擘位论文 李敏【3 8 】等用c f x 软件模拟三相流化床反应器，采用多流体模型，每一相分别 有各自的解析场，传输量通过相内传输项相互影响，用s p a l d i n g 的i i l t e rp h a s es l i p 算法求解，同时充分考虑了气液的相互作用力，气液表面张力、气泡变形、气泡 的破裂与生长、气泡的群体效应等因素，模拟其内的流体力学特性，得到优化的 反应器结构参数；发现固相颗粒的加入对反应器的液相流速的分布几乎没有影响， 固相含率较高的区域在反应器的升流区。这是个较为成功的计算机模拟三相冷模 流动，而且得到的结果跟实验相差不大，可以帮助验证实验。但是这个模拟是在 一定的操作条件下得到的，应用到其他反应器上还有待进一步研究工作。 1 6a l r 的工业应用 国内外自2 0 世纪5 0 年代末开始对环流反应器进行了系统的研究，最早的主 要是在实验室研究其流体力学以及如何应用在反应工程方面 3 9 】，之后开始比较系 统的研究【1 3 】【冽，到8 0 年代以后，有关流体力学的报道已经相当多，但是结果都 不很统一，差别比较大。国内最早把反应器应用在生产酵母上】，证实了该反应 器放大的成功。之后环流反应器在生物化工、冶金化工、废水处理上面应用开始 逐渐增多，但是在石油化工当中并不是很多，大型的气液、气液固反应器仍然都 采用机械搅拌釜或者鼓泡塔反应器，只是近年来由于环流反应器的优良性能在化 工行业的广泛应用，于是才受到更多的关注。如果环流反应器的研究能与工艺过 程的特点紧密结合起来，今后在工业中的应用和推广将会有很大的空间。 1 7 本文研究的目的与主要内容 目前对两相气升式环流反应器无论是从理论还是实验研究上都有了很多系统 的结论，但是对于三相气升式环流反应器的研究仍然很少，大多数得出的经验结 论应用起来局限性很大，常常是适用于特定的反应器，特定的操作条件下进行的 反应，不能完全应用于工程当中的设计放大，随着气升式环流反应器的应用越来 越广泛，这种纯凭经验设计放大的局限性越来越明显，大大限制了该类反应器气 液固三相体系的发展。本研究在课题组薛胜伟【3 1 】对气液两相a l r 内流体流动与传 质研究的基础上，采用c f d 技术与实验验证相结合的方法对三相气升式环流反应 器内流体力学特性以及混合情况进行研究，探讨c f d 技术在三相a l r 中的可行 第一章绪论 性。着重研究了固体颗粒对反应器内的气含率、液体循环速度以及混合特性的影 响。其研究工作的主要内容如下： ( 1 ) c f d 数学模型的建立把气液固三相的区别分别考虑在内，将液相视为连 续相，气相和固相视为分散相，特别考虑进了连续相与分散相之间以及分散相和 分散相之间的动量交换，建立气液固三相环流反应器流体湍流流动的e u l e r i a n 模 型。采用计算流体软件f l u e n t 对反应器气液固三相相流动状况进行模拟，具体求 解包括模拟区域的定义、网格的划分、边界条件的设置等。 ( 2 ) 数学模型的实验验证工作在已有的一套气升式环流反应器实验装置的 基础上，采用压降法、电解质溶液脉冲示踪法和电导仪法分别测量三相反应器内 平均气含率、液体循环速度、混合时间和循环时间，将实验值与模拟值进行对照， 验证模型的可行性。 ( 3 ) 研究了固含率对反应器内流体力学性能以及混合性能，通过改变反应器进 口表观气速，改变体系内的固含率以及固体颗粒直径大小，得到不同的表观气速 下固体对气升式环流反应器性能的影响。 1 8 参考文献 【l 】李飞新型多级环流反应器流体力学研究【d 】北京：清华大学2 0 0 4 【2 】刘梦溪，卢春喜，储凌等中心气升式三相强化环流反应器内局部气含率分 布的实验研究【j 】高等化学工程学报，2 0 0 5 ，1 9 ( 1 ) ：3 6 4 1 【3 】刘梦溪，卢春喜，储凌等中心气升式三相强化环流反应器内气含率分布的 理论研究 j 】高等化学工程学报，2 0 0 5 ，1 9 ( 3 ) ：3 3 2 3 3 7 【4 】 f 孤ls g 部l i q u i d - s o l i df l u i d i z a t i o ne n g i n e e r i l l g m 】b u t t e 刑。劬sp u b l i s h e r s ， 1 9 8 9 ，1 5 6 1 6 6 【5 】 s m i mdn ，o d o w dwj ，r - u e t h e rja f l o wr e g i m e 仃a n s i t i o n sf o rb u b b l e c o l u m n s 【j 】a m e r i c 锄i n s t i t u t eo f c h e m i c a le n g i n e e r s ，n a t i o n a lm e e t i n g ，1 9 8 8 ， 8 b ，3 0 p