列管型鼓泡塔中流动发展规律的研究

发布时间：2019-01-13 08:32

【摘要】：鼓泡塔反应器是一种气-液或气-液-固多相接触与反应装置,在多个领域有广泛应用。大型液相费托合成反应器内部安装有密集的换热列管束,这种情况下的多相流动规律还少有研究。鼓泡塔内流动沿塔高的发展规律及流动区域的划分是流体力学研究和反应器开发的基本问题,在列管束存在的情况下目前还没有得到清楚的认识。现有文献中关于鼓泡塔流动发展的研究大多针对小塔径(0.5 m)以及无内构件的情况。对于含有密集列管束鼓泡塔的实验研究大都集中在充分发展区的流动状态,没有考虑流动沿塔高的发展和流动区域的划分问题,而该问题对于反应器的放大和分布器的开发具有至关重要的影响。有鉴于此,本文针对大型鼓泡塔特别是含密集列管束的鼓泡塔流动的发展问题展开实验与计算模拟研究,考察塔径、列管密度、空塔气速对流动发展和流动参数分布的影响规律,给出流动区域或流动状态发生重大转变的判据,为工业放大设计和内构件开发提供依据。论文主要包括以下几个方面：1.无列管的湍动鼓泡塔中流动发展的实验研究和CFD模拟使用电导探针和Pavlov管在两套不同直径(Φ500、Φ800 mm)鼓泡塔冷模实验装置中,在表观气速0.12-0.62 m/s条件下,实验测量了不同塔高位置的时均液速、局部气含率和三维均方根脉动速度的径向分布。实验表明在不含内构件的空塔中流动沿塔高发展较快,分布器影响区的大小随表观气速变化不大,随塔径增大略有增加。0500塔中分布器影响区范围在2.5倍塔径以内,0800塔中为3倍塔径左右。采用二维径向力平衡模型能准确描述鼓泡塔内充分发展区的流动,计算给出的液体速度、气含率及湍流动能分布与各种条件下的实验结果符合良好,模型能够用于空塔情况下的流体力学放大预测。2.0500列管塔中流动发展的实验研究与CFD模拟在0500鼓泡塔内测定了不同列管密度和表观气速条件下不同塔高位置的时均液速、局部气含率和均方根脉动速度的径向分布。实验表明,列管内构件对塔内流动存在两方面的影响：一方面,列管的加入将抑制流动沿塔高的发展过程,使得分布器影响区延长,其范围由空塔的2.5倍塔径以内增大到列管塔4倍塔径以上；另一方面,列管束的存在使得充分发展区的液速和气含率径向分布趋于陡峭,塔中心的液速和气含率随列管密度和表观气速的增加而显著增大,形成所谓的“烟囱效应”。产生上述效应的力学机理,是列管对气泡运动和湍流脉动的横向阻碍作用。在径向力平衡模型中分别考虑列管对气泡群的壁面力和对液相脉动的阻力,就能够描述列管塔中的流动规律,模型计算给出的分布器影响区和充分发展区中的流动参数分布与实验结果相符。3.?800列管塔中流动参数分布的实验研究在安装了列管的0800鼓泡塔内,测定了时均速度、脉动速度、气含率的径向和轴向分布,考察了塔径、列管密度、列管管径、表观气速、布气方式等因素对流动参数分布的影响。实验首次发现,0800列管塔中的流动规律与?500列管塔有很大的甚至是根本性的不同。在塔中的主要区域(Z=2.2m处),?500列管塔中液速与气含率的径向分布都比空塔时更为陡峭,而0800列管塔则完全相反,在同样的高密度列管和均匀布气的情况下,液速与气含率径向分布十分平坦,呈现出环隙高、中心与边壁低的马鞍形分布,其中心液速与气含率远低于空塔的情况,且随列管密度和气速的增大而降低。实验表明,产生上述异常流动现象的原因,可以用两种塔中流动发展的状态不同来解释。?500列管塔中流动处于充分发展状态,存在着一个充分发展区,分布器的影响仍限于塔内的局部范围；而?800列管塔中的流动处于未发展(高列管密度下)或部分发展(中低列管密度下)的状态,在实验的高径比条件下不存在充分发展区,分布器影响区贯穿全塔,塔内占优势的流动是分布器影响下的流动,其特征是速度与气含率的径向分布严重依赖于分布器产生的初始分布状态,流动呈现出不对称的马鞍形速度分布,具有不稳定和无序的特点。4.鼓泡塔分布器影响区大小的估算模型提出了一种简单的计算模型用于估算不同条件下包括含有竖直列管内构件的鼓泡塔分布器影响区长度,其思想是类比圆管单相流入口段长度计算的准数模型,引入“湍动雷诺数”的概念,采用湍流粘度和气体滑移速度来估算该雷诺数,然后将实验测定的分布器影响区长度与湍动雷诺数进行关联。湍流粘度则采用充分发展区的CFD模型进行计算并归纳为气速、塔径、列管密度的简单关系式。本文给出的分布器影响区长度估算式基于?800与?500空塔与列管塔的实验测量数据和充分发展区的CFD模型,计算给出的分布器影响区长度与实验值偏差在1倍塔径之内,可用于近似估算大型列管塔中不同条件下分布器影响区穿透而导致全塔流动失稳的判据。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ053.5

【相似文献】