气液（浆态）反应器流动及结晶过程的模型与数值模拟

发布时间：2020-06-26 23:38

【摘要】：气液(浆态)反应器广泛应用于石油化工、生物化工和环境工程等领域。关于这类反应器的模型与数值模拟研究已经有很多,但是由于气泡-气泡、气泡-液相之间的相互作用复杂,相间作用力、气泡导致的湍动和气泡聚并、破碎等多种模型的组合形式多样,目前尚没有能够普遍适用的模型。本文从计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)-群体平衡方程(Population balance equation,PBE)耦合模型出发,对气液鼓泡塔和气升式环流反应器进行了模型与数值模拟研究。首先,利用Fortran自编程序建立气液两相的CFD-PBE耦合模型。针对固定节点法存在的对大颗粒数密度预测偏高的问题,首次将固定节点法改进之后的单元平均法,成功地用于非均相体系PBE的求解。利用该模型对气液鼓泡塔进行了模拟研究,分别采用单元平均法和固定节点法求解模型中的PBE。通过与实验结果的对比发现,两种方法计算得到的气含率、轴向液速等都可以和实验结果较好地吻合,但是采用固定节点法得到的气泡平均直径偏大,气泡大小分布(Bubble size distribution,BSD)较宽且大气泡预测偏高,利用单元平均法得到的气泡平均直径和局部BSD与实验结果更加吻合。随后利用该模型对表观气速的影响进行了研究,结果显示随表观气速增大,模拟得到的反应器内气含率逐渐增大,气泡平均直径呈现先略微增大后减小的趋势。其次,基于开源计算流体力学软件平台OpenFOAM(C++风格编写)开发了气液两相CFD-PBE求解器,并以鼓泡塔为对象完成了验证。在此基础上进一步耦合了气液传质、反应过程和描述结晶过程的PBE,开发了适用于气液结晶体系的CFD-PBE-PBE的耦合模型与求解器,首次实现这类体系的耦合模拟。以环流结晶器为研究对象,对CO2气和Ca(OH)2溶液反应生成CaC03结晶的过程进行了研究,分别考察了化学反应增强因子、结晶动力学模型和操作参数对结晶过程的影响。模拟结果显示,考虑化学反应增强因子对溶液pH值和Ca2+浓度的变化略有影响,但是对颗粒的平均直径和颗粒大小分布(Crystal size distribution,CSD)基本没有影响。结晶动力学模型对模拟结果影响显著,选择适当的结晶动力学模型可以得到与实验结果较吻合的模拟结果,准确预测反应器内pH值、Ca2+浓度和晶体直径等随时间的变化情况。表观气速增大会显著加快OH-和Ca2+的消耗速度,晶体平均粒径略有增加。反应物初始浓度增大时,晶粒的平均直径减小且CSD变窄并向左移动。最后,目前关于鼓泡塔的模型和数值模拟研究大多是在常压下进行的,而工业鼓泡塔则通常是在加压的条件下进行操作的。因此在气液两相CFD-PBE求解器中,对曳力模型和气泡破碎模型进行了修正,通过引入修正系数考察了压力对气含率和气泡大小的影响。利用该求解器对不同压力下的鼓泡塔进行了模拟,模拟所得气含率和文献中的实验结果吻合较好。在表观气速较高时气泡直径的预测结果随压力增大而减小,BSD的模拟结果显示随压力增大,大气泡减少、小气泡增多,说明气泡的破碎增强。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ021
【图文】：

气液两相流,垂直管,鼓泡流

流（ａｎｎｕｌａｒ邋ｆｌｏｗ），也有很多文献简单地分为均匀鼓泡流和非均匀鼓泡流（翻逡逑腾流）（Ｌｅｏｎａｒｄ邋等，２０１５；邋Ｓｈａｉｋｈ邋和邋Ａｌ－Ｄａｈｈａｎ，２００５；邋Ｍｕｄｄｅ，２００５）。从逡逑图１．１可以看出，在不同的流型，流动状态有很大差别，气相的形态及气相和逡逑连续液相的相互作用也会发生显著的变化。均匀鼓泡流在细菌和真菌培养、细逡逑胞蛋白质的生成、动物细胞培养和生物化工的废水处理等方面有较多应用；而逡逑非均匀鼓泡流（翻腾流），则常用在高放热过程，如液态甲醇合成和费托合成逡逑等过程中，对于翻腾流等的理解对核工业（如沸水反应炉）也有重要的意义逡逑（Ｍｏｎｔｏｙａ等，２０１６）。准确判断流型及流型转变，对于反应器的操作、设计逡逑及放大都有非常重要的意义。逡逑ｌｉＭ逡逑W 曑逡逑ｔ逦ｔ逦g逦Ｉ逡逑Ｂｕｂｂｌｙ邋ｆｌｏｗ逦Ｓｌｕｇ邋ｆｌｏｗ邋Ｃｈｕｍ邋ｆｌｏｗ邋Ａｎｎｕｌａｒ邋ｆｌｏｗ逡逑图１．１垂直管气液两相流型（黄青山，２００８）逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ｆｌｏｗ邋ｒｅｇｉｍｅｓ邋ｉｎ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ邋ｐｉｐｅｓ逡逑２逡逑

表观气速,鼓泡塔,内气,鼓泡流

气含率随表观气速基本呈线性增加；随着表观气速的增加，流动进入非逡逑均匀鼓泡流（翻腾流），气泡聚并形成大气泡，气含率随表观气速的增加趋势逡逑变缓，如图１．２所示，因此文献中经常根据这一特点描绘气含率－表观气速图来逡逑判断反应器内的流型。对于常温常压下的空气－水体系，由均匀鼓泡流向非均匀逡逑鼓泡流转变的表观气速约为0．0４邋ｍ／ｓ邋（Ｌｅｏｎａｒｄ等，２０１５）。但是对于直径小于逡逑０．１５邋ｍ的鼓泡塔，当表观气速增大时不会直接变为翻腾流，而是会出现柱塞流。逡逑Ｓａｒｒａｆｉ等（１９９９）研究发现流型转变气速随反应器直径增大而增大，当反应器逡逑直径大于０．１５邋ｍ时，转变气速不再随直径变化；Ｓａｒｒａｆｉ等（１９９９）和Ｒｕｚｉｃｋａ逡逑等（２００１）的研宄结果表明，静液高度的增加会减小流型转变气速直到静液高逡逑度大于０．４邋ｍ后，转变气速不再随静液高度变化。许多研究者研宄了压力对气逡逑含率的影响

【参考文献】