多层桨搅拌槽内的气液传质模拟研究

发布时间：2017-09-12 15:20

  本文关键词：多层桨搅拌槽内的气液传质模拟研究

  更多相关文章： 气液搅拌 多层桨 数值模拟 容积传质系数 数值计算模型

【摘要】：气液搅拌反应器广泛的应用于化工中的各个领域,而气液传质是许多工艺过程中的关键控制因素,密切关系到产品的质量与产量。而近年来,随着气液搅拌反应器逐渐向大型化发展,其配备的搅拌桨越来越多的使用多层桨的结构,因为多层桨的使用有利于搅拌器输入的能量在反应器内部按需分配,并且可以按照具体要求而使用不同功能的组合形式,来实现有利于实际过程的流体循环。随着计算机技术与计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)的发展,利用计算机对反应器内气液相互作用进行模拟计算正成为气液搅拌反应器科学合理放大的一种高效手段,可以脱离实际实验而对实际工业过程进行估测。本文采用CFD数值模拟的手段,使用CFX软件对于配有三层组合搅拌桨(底桨为HEDT,上两层桨为WHU)的气液搅拌反应器进行模拟。模拟中分别以水与空气作为液相和气相,重点考察了不同的模拟计算方案与不同的传质模型相结合的情况,研究了单位质量功、总体气含率与容积传质系数之间的关系,并与实验值进行对比,探索影响反应器内传质性能的因素,并以此归纳出最优的模拟计算方法并对这些方法做出比较与评价。对于单位质量功,不同的模拟方案与实验值对比的平均误差在2.5%左右；而对于总体气含率的计算结果有一定的偏差,平均误差在14%左右,容积传质系数的平均误差则在12%左右。模拟计算的相对误差在可接受的范围之内,可以为工业放大提供一定的参考。在气液搅拌反应器中,输入功率较大、气液相互作用强烈的区域,对于气液相界面积及传质系数都有着增强的作用,因而具有较大的容积传质系数。研究中采用了四种模拟计算方案与四种传质模型相互结合来进行研究,从中归纳出了四种最优的组合计算方法。四种方法各有优劣,具有不同的适用方位：采用低精度的标准k-ε模型与小涡模型的计算方法有着不错的准确度且计算简单,但在局部量的分布预测时存在一定的问题；采用高精度的标准k-ε模型与速度滑移模型的计算方法对于容积传质系数的计算准确度最高但是计算其它的参数时偏差较大；采用RNG κ-ε模型与速度滑移模型的计算方法综合考虑其计算精度最高,但是其计算精度并没有比其它的组合计算方法有着阶跃性的提升且计算复杂,所以综合考虑计算精度与计算机时,此方法可能不是最优的选择；采用k-εEARSM模型与小涡模型的计算方法适用于高表观气速的条件但是实用性不够广泛。
【关键词】：气液搅拌 多层桨 数值模拟 容积传质系数 数值计算模型
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ021
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 文献综述14-28
• 1.1 气液搅拌反应器介绍14
• 1.2 气液搅拌反应器中的传质研究14-16
• 1.2.1 多相体系中传质的测定方法15
• 1.2.2 气液搅拌反应器中传质的影响因素15-16
• 1.3 搅拌反应器内的数值模拟16-26
• 1.3.1 CFD的介绍及发展17
• 1.3.2 数值模拟方法17-18
• 1.3.3 搅拌反应器内气液两相的数值模拟18-23
• 1.3.4 搅拌反应器中传质模型与数值模拟23-26
• 1.4 小结26-28
• 第二章 数值模拟和实验方法28-34
• 2.1 数值模拟方法28-32
• 2.1.1 建模及网格绘制28-30
• 2.1.2 模拟方法30-32
• 2.2 实验体系及实验方法32-34
• 第三章 气液搅拌反应器中的宏观流体力学性能34-48
• 3.1 单位质量功34-36
• 3.2 宏观流场36-37
• 3.3 气含率37-46
• 3.3.1 总体气含率37-40
• 3.3.2 局部气含率40-46
• 3.4 小结46-48
• 第四章 气液搅拌反应器中的传质性能48-66
• 4.1 气液相界面积及相关参数48-50
• 4.1.1 气泡尺寸分布48-49
• 4.1.2 气液相界面积49-50
• 4.2 传质系数及相关参数50-55
• 4.2.1 湍流动能耗散率50-52
• 4.2.2 气泡滑移速度52-53
• 4.2.3 传质系数53-55
• 4.3 容积传质系数55-64
• 4.3.1 k_Lα的局部分布及总体k_Lα与实验值对比55-62
• 4.3.2 k_Lα的计算方法优选62-64
• 4.4 最优计算方法64-66
• 第五章 主要结论及展望66-68
• 5.1 主要结论66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 导师及作者简介74-75
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书75-76

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本文编号：837989