气升式环流反应器

1、气升式环流反应器内气液两相流动计算流体力学的模拟姓名：承豪姓名：承豪专业：生物化工专业：生物化工学号：学号：642081703002642081703002目录气升式环流反应器的几何结构气升式环流反应器的几何结构模拟结果及讨论模拟结果及讨论数值模拟过程数值模拟过程结论结论气升式环流反应器区别于普通鼓泡床反应器气升式环流反应器区别于普通鼓泡床反应器的关键在于其内部有一个导流筒，气相从导的关键在于其内部有一个导流筒，气相从导流筒上升或从导流筒外的环隙上升，由此产流筒上升或从导流筒外的环隙上升，由此产生的导流筒内外的密度差驱动物料在反应器生的导流筒内外的密度差驱动物料在反应器内进行循环，从而实现气液

2、混合和必要的停内进行循环，从而实现气液混合和必要的停留时间。留时间。这个反应器具备了气升式这个反应器具备了气升式反应器的基本特征反应器的基本特征 反反应器外筒、导流筒以及气应器外筒、导流筒以及气体分布器，反应器内充满体分布器，反应器内充满常温液体水，气相从反应常温液体水，气相从反应器底部的环形入口进入反器底部的环形入口进入反应器，沿导流筒外的环隙应器，沿导流筒外的环隙空间空间(上升段上升段)上升。反应上升。反应器结构如图所示。器结构如图所示。数值模拟过程数值模拟过程模拟过程参数的设定模拟过程参数的设定欧拉一欧拉模型欧拉一欧拉模型欧拉模型方程组欧拉模型方程组欧拉一欧拉模欧拉一欧拉模型目前使用较多

3、的两流体模型是将每一种流体都看作是充满整目前使用较多的两流体模型是将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质，针对两相分别写出质量、动量和能量守个流场的连续介质，针对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程，通过相界面间的相互作用恒方程，通过相界面间的相互作用(动量、能量和质量的交换动量、能量和质量的交换)将两组方程耦合在一起。针对每一相可以用欧拉方法或拉格将两组方程耦合在一起。针对每一相可以用欧拉方法或拉格朗日方法描述，而采用基于两相均使用欧拉方法描述的便是朗日方法描述，而采用基于两相均使用欧拉方法描述的便是欧拉一欧拉模型。该模型对每相求解一组运动方程和连续性欧拉一欧拉模型。该模型对每相求解一组

4、运动方程和连续性方程，通过压力和相间交换系数进行耦合，耦合结果取决于方程，通过压力和相间交换系数进行耦合，耦合结果取决于所涉及的相的类型。当体系是气泡与液相所涉及的相的类型。当体系是气泡与液相(水水)时，方程之间时，方程之间的耦合通过气泡和水之间的相互作用规律进行。的耦合通过气泡和水之间的相互作用规律进行。欧拉模型方程组欧拉模型方程组基于以上假设的欧拉模型方程组如下：连续性方程：连续性方程：n为分散相的个数，本文研究的体系仅有一个分散相(气相)，所以，n=1；下标k分别代表气相(g)和液相(l)，本文不考虑气液之间的传质，所以 。0mn1ppk动量守恒方程：动量守恒方程：模拟过程参数的设定使用

5、FLUENT60中的前处理软件Gambit用非结构化网格对反应器的物理模型进行了网格分割，基本尺寸为5 mm 时的网格划分图如下图。u算法：使用非耦合的求解器算法：使用非耦合的求解器(segregated solver)进行进行非稳态计算，当非稳态计算，当模拟收敛且结果不再随时间变化时，说模拟收敛且结果不再随时间变化时，说明已达到稳态，即通过非稳态计算得到稳态结果，对上明已达到稳态，即通过非稳态计算得到稳态结果，对上述模型的模拟发现时间述模型的模拟发现时间t=1180 S后，模拟结果随时间不再后，模拟结果随时间不再变化。变化。u边界条件：气相进口为速度进口，反应器上部液面设边界条件：气相进口为

6、速度进口，反应器上部液面设为压力出口，反应器器壁及导流筒器壁均设为非滑移壁为压力出口，反应器器壁及导流筒器壁均设为非滑移壁面。面。u初始条件：由于液相初始状态为静止状态，故其初始初始条件：由于液相初始状态为静止状态，故其初始速度设为速度设为0，气相初始条件为环隙内的表观气速，其值分，气相初始条件为环隙内的表观气速，其值分别为别为0.0191、0.0250、0.0315、0.0380、0.0440 ms。结果与讨论结果与讨论气相表观速度对液相循环速度和气含率的影响气相表观速度对液相循环速度和气含率的影响导流筒结构对气升式环流反应器内两相流动的影响导流筒结构对气升式环流反应器内两相流动的影响网格划

7、分水平对模拟结果的影响网格划分水平对模拟结果的影响u网格划分水平对模拟结果的影响对反应器模型进行了由粗到细对反应器模型进行了由粗到细5 5种水平的网格划分，如下表所示。种水平的网格划分，如下表所示。由上图可知，网格水平由上图可知，网格水平4下的模拟结果与水平下的模拟结果与水平5下的结果很接下的结果很接近，即当网格划分达到水平近，即当网格划分达到水平4时，模拟结果不再随网格的细化时，模拟结果不再随网格的细化而变化，说明这时候的模拟结果可看作网格独立的解。故后而变化，说明这时候的模拟结果可看作网格独立的解。故后续模拟都是在网格水平续模拟都是在网格水平4下进行的。下进行的。u气相表观速度对液相循环速

8、度和气含率的影响气相表观速度对液相循环速度和气含率的影响气相作为液气相作为液相循环的推相循环的推动力来源，动力来源，对液相循环对液相循环速度和气含速度和气含率会产生显率会产生显著的影响，著的影响，结果如图所结果如图所示。示。由图可知，环隙中液相表观速度开始随着气相入口速度的增大而增大，由图可知，环隙中液相表观速度开始随着气相入口速度的增大而增大，因为气量增大，导流筒内外的压力差亦增大，所以液相循环速度也增因为气量增大，导流筒内外的压力差亦增大，所以液相循环速度也增大。随着气量继续增大，液相循环速度增大趋缓，这是因为液相速度大。随着气量继续增大，液相循环速度增大趋缓，这是因为液相速度增大引起流动

9、阻力增大，最终液相速度达到一个稳定值。增大引起流动阻力增大，最终液相速度达到一个稳定值。同时，导流筒内外同时，导流筒内外(上升段上升段)的气含率随着气相表观气速的增大而增大，液的气含率随着气相表观气速的增大而增大，液相循环速度的增大和上升段气含率增大，都会使气泡被液相夹带进入导流相循环速度的增大和上升段气含率增大，都会使气泡被液相夹带进入导流筒的量加大。根据导流筒外的气相表观速度筒的量加大。根据导流筒外的气相表观速度UGR和导流筒外的液相表观速和导流筒外的液相表观速度度ULR，分别由，分别由Hills和沈自求的关于上升段气含率和沈自求的关于上升段气含率R与上升段表观气速和与上升段表观气速和表观

10、液速之间的关系，计算得到上升段气含率值。表观液速之间的关系，计算得到上升段气含率值。CFD 的模拟值和经验的模拟值和经验关系式的计算值均示于下图中。关系式的计算值均示于下图中。由图可以看到，上升段气含率由图可以看到，上升段气含率R的的CFD模拟值与沈自求关系式以及模拟值与沈自求关系式以及Hills关系式的计算值非常接近，也即操作表观气速关系式的计算值非常接近，也即操作表观气速 。 和和CFD模拟模拟得到的液相循环速度得到的液相循环速度 和气含率很好地符合了这两种经验关系式，和气含率很好地符合了这两种经验关系式，这验证了所使用的这验证了所使用的CFD模型具有很好的可靠性。模型具有很好的可靠性。u

11、导流筒结构对气升式环流反应器内两相流动的影响导流筒直径和导流筒位置高度对液相循环速度和气含率都会产生影响。导流筒直径和导流筒位置高度对液相循环速度和气含率都会产生影响。此图说明导此图说明导流筒直径的流筒直径的增大并不能增大并不能使液相循环使液相循环量无限增大。量无限增大。由图可以看出，由图可以看出，导流简直径增导流简直径增大，上升段的大，上升段的气含率随着导气含率随着导流简直径的增流简直径的增大而增大。导大而增大。导流筒内的气含流筒内的气含率很小，随着率很小，随着导流简直径的导流简直径的增大略有增大。增大略有增大。导流筒距离反应器底部位导流筒距离反应器底部位置升高，液相循环速增大。置升高，液相

12、循环速增大。当然，导流筒顶端不能超当然，导流筒顶端不能超过反应器液面，否则就无过反应器液面，否则就无法形成有效的环流。法形成有效的环流。上升段气含率随着导流筒上升段气含率随着导流筒高度的增高而降低。导流高度的增高而降低。导流筒内气含率接近于零，并筒内气含率接近于零，并无显著变化，说明该条件无显著变化，说明该条件下，气泡被夹带进入导流下，气泡被夹带进入导流筒的量很小。筒的量很小。(1)用两流体模型的模拟方法对气升式反应器内用两流体模型的模拟方法对气升式反应器内部气液两相流场进行了有效的预测，得出的反部气液两相流场进行了有效的预测，得出的反应器设计放大中的关键参数应器设计放大中的关键参数液相循环速度、液相循环速度、气含率符合经典的经验关系式，说明该气含率符合经典的经验关系式，说明该CFD模模型对反应器内部气液两相的流动特征的认识是型对反应器内部气液两相的流动特征的认识是正确的。正确的。(2)导流简直径和导流筒在气升式反应器