影响鼓泡塔气—液两相流流体力学行为因素的研究

发布时间：2014-12-12 11:28

 

【摘要】 气—液两相流反应器是气液两相进行化学反应的一种重要反应设备,该设备可以实现质量、动量、能量之间的相互传递。鼓泡塔反应器在结构设计上简单、并且还具有气液两相反应时相际接触面积大的特点；在化工生产过程中操作方便、尤其是在气液两相进行化学反应过程中传热传质效率高等优点,因此该反应器被广泛的应用于各科行业领域,如生物制药工程、环境保护工程、化学反应工程以及能源及新能源等工业领域。本文采用计算流体力学(CFD)数值方法模拟了四种不同安装高度及四种不同表观气速下鼓泡塔内部的流体力学行为,并对塔体内部的气含率、液相速度的分布及大小作以详细分析；比对湍流动能及湍流动能耗散率的分布情况,得出了鼓泡塔在给定塔体高度下分布器的最佳位置安装高度在1/5H≤h≤1/2H这个范围内这个区间内。在该结论下,对分布器安装高度为h=240mm的鼓泡塔内部两相流的流场进行数值分析,计算结果得出：在鼓泡塔塔体液面的同一高度处,气相的局部气含率随着其径向比r/R的增大有降低的趋势。气含率在同一径向位置处,当r/R<0.5时,其值随着液面高度的增加出现降低的趋势；当r/R>0.5时,局部气含率随着鼓泡塔液面高度的增加而升高。计算结果也显示出来在液相湍流动能值大的流体区域,湍流动能耗散的程度也很大,也就是说在该区域能量受到了严重损失。应用CFD数值方法对四种不同表观气速下鼓泡塔内部气液两相流流场的流体力学行为进行模拟计算。应用湍流模型对鼓泡塔内部的整体气含率的分布及大小进行数据分析；对塔体轴截面处(X=0)液相组分速度分布及大小随时间的变化情况进行模拟计算。通过计算出来的结果,比对局部气含率和液相组分速度在不同的气体表观气速下,不同塔体液面高度处的径向分布情况,结果表明：随着通气量的持续通入,气含率随着时间逐渐增大；在同一鼓泡塔液面高度处,气体表观气速的增大,对气含率的的增大做出了很大贡献；当H/D<3时,液相呈现出来单循环流状态；当H/D≥3时,液相呈现出双循环流状态,这种状态则是循环流中较复杂的一种流型；湍流动能大的区域,也是能量损失严重的区域,因此在该处对鼓泡塔结构进行优化设计,从而获得更良好的节能效果。 

第一章绪论

 

1.1选题背景及意义

现如今，伴随着科学技术的飞速发展趋势，气一液两相流之间的化学反应已经涉及到化工、材料、环境、石油、能源等诸多领域。所谓的气一液之间的两相体系反应，就是指气体组分在给定的液相组分环境中进行的一系列相关化学反应过程。在气一液化学反应的体系中，反应组分至少有一种是以气体的形式存在，而另一种组分可以是含有催化剂的溶液、悬浮液或者是纯液体。在通常我们涉及到的工业领域中，经常用到的气一液反应器的形式如下图1.1所示。因为气一液反应是一种气体在液体中进行的化学反应，所以，对于参加反应的任何一种气体，都首先应该溶解于反应体系中的液体，这样反应才有可能发生。也就是说，气一液反应，必须先进行传质然后进行化学反应，相当于传质与化学反应构成了一个串联的体系。在形成的这个串联结构体系中，气一液之间的传质与相应的化学反应相互影响、相互制约。研究气一液两相之间的反应，主要就是研究气相组分与液相组分之间的传质规律、反应过程中发生的化学反应现象、气液反应器内部两相物质组分的传质、传热特性以及两相组分之间彼此如何相互影响其流体力学行为、相互制约运动的一系列规律特性。

那么如何提高气液两相流之间传质的效率，影响气液两相流反应的因素究竟有哪些，己经逐渐开始被广泛关注。鼓泡塔反应器是实现气液两相进行化学反应的重要设备，它可以进行气体与液体之间的质量、动量、能量传递。鼓泡塔反应器在结构设计上简单、并且还具有气液两相反应时相际接触面积大的特点；在化工生产过程中操作方便、尤其是在气液两相进行化学反应过程中传热传质效率高等优点，因此该反应器被广泛的应用于各科行业领域，如生物制药工程、环境保护工程、化学反应工程以及能源及新能源等工业领域。如今无论是国内，还是国外己经有很多学者对鼓泡塔内部流体力学进行了CFD研究，吕应用电导探针测定了鼓泡塔内部的气泡参数；赵对不同分布器对鼓泡塔气液两相流的影响进行了数值模拟；李应用CFD对大型浅层鼓泡塔结构进行了优化，将气体分布器设为管式形状；周利用超声波的作用，通过实验的方法对鼓泡塔内部气泡与液相之间的传质特性进行了研究。但是，参数是如何影响鼓泡塔内部两相流之间的流场却没有得出一个正式的结论。如今随着计算流体力学科学技术在诸多行业领域的飞速发展，我们可以对不同结构、不同操作下的鼓泡塔内部流场应用CFD数值模拟软件来进行更深层次的研究。

 

1.2鼓泡塔气液反应器传递特性介绍

1.2.1鼓泡塔简介

所谓气一液两相反应就是作为气相组分的反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行化学反应的一种非均相反应过程，在各种化学工业或者其他领域中，气液两相参与反应的反应器有很多中，而我们常见的气液化学接触反应设备中，鼓泡塔就是一种常用两相流反应器形式。鼓泡塔内部可以进行各种有机化合物的相关化学氧化反应，比如在塔体内部通入乙婦进行氧化反应，最后生成氧化反应物乙酸、或者在塔体内部通入乙醛并将其氧化最后生成醋酸或醋酸酐氧化产物。在鼓泡塔中，我们对参与反应的液相组分一般不作剧烈程度上的搅拌这是由于我们是将蒸汽从塔体底部通入，然后将生成的气泡鼓入到液相组分中，这样就可以形成扰动混合的效果，从而也使气液之间接触反应达到充分混合的程度。鼓泡塔反应器在结构设计上简单、并且还具有气液两相反应时相际接触面积大的特点；在化工生产过程中操作方便、尤其是在气液两相进行化学反应过程中传热传质效率高等优点，因此该反应器被广泛的应用于各科行业领域，如生物制药工程、环境保护工程、化学反应工程以及能源及新能源等工业领域。

1.2.2鼓泡塔气液反应器的传递特点

在鼓泡塔气液反应器中气体是以分散体系来参加两相反应，塔体底部通入的气体形成鼓泡然后加速进入到塔体内，最后与塔体内部的连续液相进行两相接触反应。鼓泡塔反应器主要依靠气泡的浮动驱动液相循环及混合，由气泡通过气液界面，向液相的组分提供一定的能量并对在反应器中进行物质和热量之间的传递。其主要特点如下：

（1）鼓泡塔塔体内充满液体组分、气体从鼓泡塔反应器底部通入并分散成多个气泡，这些分散的气泡沿着塔体内部逐渐上升，在上升的过程中与其周边的液相组分进行接触反应，在气液进行两相反应的同时气相不断搅动其周边的液体从而增加两相的传质速率。

（2）鼓泡塔气液两相接触反应器可以适用于气体与液体反应放热量较大的一些化学反应，当然更适用于那些中、低速的化学反应。

（3）鼓泡塔反应器的结构设计简单、工程造价比较低；且在化工操作过程中容易控制、对内部构件也容易进行维修、化学反应造成的防腐问题也很容易得到解决；如果碰到需要有高压条件才能进行反应的工艺过程时也没有困难。

（4）鼓泡塔内部进行气液混合的一个缺点就是两相在接触的时候液体返混比较严重，也就是说气泡易产生聚并的现象，这样很可能对反应的效率产生一定的影响。

 

第二章鼓泡塔的特征参数

 

鼓泡塔的气泡参数是衡量两相流中气泡流体力学行为的重要指标，它直接决定着鼓泡塔中轴向和径向的气含率分布以及气液两相间的相互作用力以及两相间的相际传质行为。通过对气泡特征参数的研究，了解气泡的运动行为和气液传质特性，为后面的模拟计算和以后的设计优化、工业放大，提供一定的参数基础。这样的参数基础不仅可以用于鼓泡塔两相流操作区域的划分，而且可以对相流动结构进行确定。所以，必须对鼓泡塔的气泡特征参数进行深入研究，从而为设计合理的反应器和气液两相间传质特性的研究打好坚实的理论基础。气泡的特征参数主要有气泡的大小（与分布器的大小）、上升速度、气含率（整体气含率和局部气含率）等。

 

2.1气泡直径

单个喷孔时：当气体开始鼓入喷孔时气泡在喷孔上初次形成并且长大，随着直径的增大，气泡所受浮力也开始增大，当气泡所受到旳浮力等于气泡脱离分离喷孔时所受到的阻力时，气泡便离开喷孔，开始上浮。

气泡的大小影响了鼓泡塔反应器内两相流之间的传质效果，对气泡的大小进行分析，有利于我们开展两相流流场的其他工作。外国学者Tarmy通过各种研究，最终认为，气泡直径的大小是由整个鼓泡塔反应器内气泡的破碎与聚并形成的动态平衡决定的。而气泡的这种动态平衡是依赖于鼓泡塔反应器自身的一些性质，如反应物两相体系的物理性质、流体的局部流动行为；还受到塔体内构件结构的约束；如果操作条件的改变也会影响到这种动态平衡。在均勾鼓泡塔区域，由于从塔体底部通入的气体表观气速较低，因此从喷孔形成的气泡尺寸都比较小，此时气泡在塔体的径向位置处尺寸小，其最大值则出现在靠近塔壁面附近的流体区域。在瑞流鼓泡区域，由于气液之间的相互作用力开始增强，气泡开始大量聚并，此时的小气泡变成大气泡，气泡的尺寸随之迅速变大，中心区域的气泡逐渐增多，导致大量气泡拥堵在塔体中心，塔壁附近却只有少量气泡聚集对形成的单个气泡来讲，气泡从底部的喷孔形成后，在上升的过程中受到很多用力，如除了受到气流本身的作用外，还受到浮力对其的驱动作用力；在上升的过程中，气泡周围的液体也会对其施加对流的作用；液体的表面张力同时也会影响其上升过程、气泡长大的时液体会对气泡形成一种反作用力；以及點性流体中液体对气泡上升施加的阻力等等。而在气泡脱离液体瞬间过程中，使气泡脱离所需要的力与气泡粘附在喷管孔口的力相平衡时，气泡的尺寸大小就可以确定了。

 

2.2气泡浮升速度

根据气泡所受的浮力与所受流体的阻力相平衡这个依据条件可以求得气泡的浮升速度。气泡上升所受液体阻力为

影响气泡上升的因素有很多种，外国一位学者研宄了气体的表观速率对大气泡和小气泡上升速率的影响。可以看出反应器内小气泡的上升速率的变化是随着表观气速的增大而减小，一直减小到某一定值就不再变化；相反，反应器内大气泡的上升速度的变化是随着表观气速的增大而增大。在鼓泡塔中，大气泡的上升速度比较快，但是停留时间较短，不能充分利用其所携带的气相物质；相反，小气泡在塔体内缓慢上升，可以在塔体内停留较长的时间，这样，气液参与化学反应时可以得到很充分的接触。但是，因为小气泡的上升速度较慢，所以传质达到平衡后，反应器内容易形成死气泡。大气泡上升的速度较快气泡可以带动液体剧烈瑞动，鼓泡塔内流动与瑞动能量也主要来自于此；由于小气泡的比界面积大，因此在气液传质过程中起着不可忽略的作用。但是，也曾有一些研究表明在某种状况下，小气泡的表面特别容易吸附一些杂质，这样就比较容易形成刚性膜，从而容易降低它的传质速率。张认为，随着表观气速增大，增大的量大部分转化为小气泡数，致使反应器内小气泡增多，而只有部分转化为大气泡，但提高了大气泡上升速度。

 

第三章鼓泡塔气液两相流的数值计算方法........25

3.1流体力学模型.......25

3.1.1欧拉法......25

3.1.2湍流模型...26

第四章分布器安装高度对鼓泡塔内气液两相流流场的影响.......34

4.1数值模拟.......34

4.1.1建立鼓泡塔三维数学模型......34

第五章气体表观速度对鼓泡塔两相流流场的影响.......53

5.1数值模拟......53

5.1.1建立数学模型......53

 

第五章气体表观速度对鼓泡塔两相流流场的影响

 

本章应用CFD数值模拟方法模拟四种不同表观气速下鼓泡塔内部气一液两相流的流场，分析不同表观速度对气含率、液相速度、瑞流动能、瑞流动能耗散率的影响。通过CFD计算的结果，我们将气含率、液相速度、瑞流动能、瑞流动能耗散率用图片和图表的形式呈现出来，这样可以很直观的分析鼓泡塔内部的流场情况，从而为设计出结构优化的鼓泡塔模型，为鼓泡塔的工业放大奠定一定理论基础。

 

5.1数值模拟

我们首先确定鼓泡塔结构尺寸，然后建立三维数学模型；对己经建立的鼓泡塔三维模型进行进一步的网格划分；根据鼓泡塔的反应组分体系，确定鼓泡塔反应工艺情况，对鼓泡塔进行数值模拟前处理；利用求解器求解反应体系；分析CFD最终计算的结果。

5.1.1建立数学模型

本章模拟的鼓泡塔三维结构示意图如图5.1所示。鼓泡塔高H为1500mm，直径D为280mm；气体速度入口至气体分布器之间选用锥形扩张；上层分布器的开孔率为1.4%，孔径为10mm，如图5.2所示；下层分布器的开孔率为5.2%，孔径为5mm如图5.3所示。

 

第六章结论与展望

 

6.1结论

本文通过CFD数值模拟在第四章研究了鼓泡塔在不同分布器安装高度下，其内部的流场情况，并在最佳安装范围内，分析了鼓泡的流体力学特性；在第五章研究了在不同表观气速下鼓泡塔气液两相流内部的流场，并分析了在最大气速下鼓泡塔的流体力学行为，得到的结论如下：

（1）分布器的安装高度保证气含率最大时，不一定是分布器安装高度的最佳位置；因为液体轴向速度很可能不是最大。综合考虑气含率与液相速度的值才能确定出分布器的安装高度，这个高度既可以满足一定的气含率，也可以保证一定的液相速度，这是我们选择分布器安装高度的基本原则。分析CFD的计算结果得出：分布器的最佳安装高度应该在200mm

（2）在双层分布器的作用下，通过CFD计算四种不同表观气速对鼓泡塔气液两相流内部流场的影响结果，我们看出随着表观气速的增大，塔体内的气含率明显升高、液相速度也随着表观气速的增大而增大。

（3）鼓泡塔内的整体气含率随着时间的增加而增大，鼓泡塔中心处的气含率增大速率较鼓泡塔周边大，这是由于壁面摩擦阻力的削弱作用导致的。到达一定时间时，气含率不再有明显变化，此刻，整个鼓泡塔内的气含率也达到最大，气液得到了充分的反应，同时液体也获得了较大的速度。

（4）液体的瑞流动能随着时间的增加而增大，而轴线位置处瑞动能为最大；由于壁面摩擦阻力的作用，削弱了壁面附近液体的瑞流动能，使该处的瑞动能最低，甚至降为零。

（5）湍流动能耗散率与瑞流的动能的分布规律相似，瑞流动能大的地方，瑞流耗散率也大，反之亦然；液体较高的剪切变形率产生瑞流祸；大尺度的湍流涡产生较高的湍流动能，小尺度的湍流涡产生较高的瑞流动能耗散率；湍流动能耗散率大的区域，能量损失严重，优化这部分湍流结构，使得鼓泡塔获得良好的节能效率。

 

6.2展望

本文完成了对鼓泡塔内气液两相流流场的数值模拟与分析，在研宄过程中，我们得出了影响鼓泡塔流体力学行为的两个重要因素：分布器及气体表观气速。我们对比了不同分布器安装高度下鼓泡塔塔体内的流场以及不同表观气速下，鼓泡塔塔体的流体力学行为，对鼓泡塔反应器的优化设计及工业放大奠定了一定的理论基础。由于计算机的配置原因以及研宄方法的应用，对鼓泡塔的流体力学行为可能还没有充分了解完全，或者结果缺乏一定的实验理论支撑，因此本文还需要对一下内容进行完善。
 

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本文编号：10264