大型鼓泡塔中布气方式与列管内构件对流动的影响研究

发布时间：2017-09-28 13:31

  本文关键词：大型鼓泡塔中布气方式与列管内构件对流动的影响研究

  更多相关文章： 大型鼓泡塔 流动发展 布气方式 列管内构件 CFD 气泡运动

【摘要】：鼓泡塔(浆态床)是一种常见的气-液(气-液-固)接触与反应装置,具有结构简单、传质传热快、混合均匀、无移动部件及操作维护费用低等优点,在化工、环境、生化、能源等领域应用广泛。工业费托合成浆态床底部安装有气体分布器,其性能决定着气泡初始尺寸和流动参数的初始分布；内部还安装有密集的换热列管束来移除大量的反应生成热,列管的存在显著影响着床内的流体流动和传热传质规律,给反应器的设计与放大增加了很大的困难。因此,针对大型鼓泡塔的气体分布器和换热列管内构件开展有关的流体力学研究,对这两类重要内构件的设计以及反应器的放大都具有重要的应用价值。然而,迄今为止的文献中关于鼓泡塔的流体力学研究大部分针对的是低气速、小塔径及无内构件、充分发展段的情况,关于高气速、大塔径、含密集列管内构件的流体力学研究还很不充分,在分布器与密集列管束耦合作用下的鼓泡塔内流动规律还没有得到明确的认识。有鉴于此,本论文将针对高气速湍动鼓泡流型下的大型鼓泡塔内分布器布气方式和列管内构件的配置对流动的发展、流动参数分布的影响开展研究,采用实验测量及计算流体力学(CFD)两种方法系统地研究空塔及带内构件的鼓泡塔内流体流动规律,建立相应的鼓泡塔流体力学模型,用于反应器模拟与内构件设计。论文内容包括以下几个方面：1.布气方式对鼓泡塔流动影响的实验测量 采用电导探针和Pavlov管在外径800111111(内径760mm)无列管的大型鼓泡塔冷模实验装置内测量了不同表观气速(0.08～0.62m·s-1)、三种布气方式(均匀布气、中心布气及近壁布气)情况下的平均气含率、不同轴向高度的局部气含率、轴向液速以及液相脉动速度的径向分布规律。实验表明,在无内构件的空塔内分布器的影响只限于约3倍塔径的局部范围,塔中上部存在一个流动参数分布与布气方式和塔高无关的充分发展段；但分布器产生的初始分布沿塔高的发展受到布气方式、表观气速及塔径的影响：均匀布气与中心布气时流动发展比近壁布气快；同时表观气速越大,塔径越小,流动发展越迅速。2.布气方式对鼓泡塔流动影响的CFD模拟建立了基于双气泡模型的三相(液相、大气泡相以及小气泡相)流体力学模型,对不同布气方式下的鼓泡塔内流动进行了模拟,计算的气含率、轴向液速以及脉动速度的三维分布与实验结果符合良好。模型反映了大小气泡由于受到的横向作用力方向不同,在塔内将产生分离过程：大气泡富集在中心区而小气泡富集在近壁区。这种分离机制对气含率的非均匀分布以及塔内流动的发展有重要的影响。双气泡模型能够预测不同塔径鼓泡塔的流体力学规律,反映分布器影响区随着塔径增大而延长的现象。3.布气方式对列管塔内流动影响的实验研究在(?)800 mm鼓泡塔内测定了不同布气方式、列管密度以及表观气速下的气含率、液速以及液相脉动速度的三维分布,发现列管塔与空塔的流动规律截然不同：空塔中气体分布器的影响是局部性的,而列管塔中却是全局性的,流动参数的初始分布决定着其全塔分布,分布器影响区贯穿全塔,不同布气方式产生的流动规律完全不同,塔内未观察到充分发展段存在的迹象。大型列管塔中的这些实验现象刷新了对列管塔内流动图案的认识,凸显了气体分布器在列管塔放大设计中的重要性。4.布气方式对列管塔内流动影响的CFD研究将列管内构件对流体的作用体积平均化,考虑为两相流体力学方程中的动量源项、湍流动能源项以及湍流耗散源项,同时对升力系数进行修正以描述列管对气泡横向运动的影响。模型计算的气含率、液速以及液相脉动速度径向分布与实验值大体相符。模型能够反映小塔径列管塔内分布器影响区延长、充分发展段中流动趋于陡峭的现象,同时也能描述大型列管塔中初始分布的发展。根据模型,可以理解大型列管塔内充分发展段消失的原因是：一方面,列管对湍流的抑制引起湍流粘度降低,而且在大塔径内湍流粘度的降低更为显著,导致流动沿塔高的发展减慢；另一方面,高气速下列管对大气泡横向运动的阻碍使得气泡由空塔内的螺旋式上升变成列管塔内的直线式上升,倾向于保持初始的气含率与速度分布。5.针翅列管塔内流体力学的研究提出采用针翅列管内构件技术来强化传热,同时降低列管塔内分布器影响的敏感性。实验测量了针翅列管塔内不同布气方式下鼓泡塔内流动参数的分布,发现针翅列管具有流动稳定器的功能,能够在一定程度上改善列管塔内流动参数的不均匀分布,缓解分布器影响过于敏感的现象。实验还发现,针翅列管的非均匀布置将引起塔内的气体短路现象,而光滑管的非均匀布置对塔内流动影响不大。6.列管约束下气泡运动规律的CFD模拟采用流体体积元(VOF)模型对受列管约束的气泡运动规律进行模拟,揭示列管内构件的“壁面效应”,结果表明列管密度、列管布置方式及列管直径对不同大小气泡的运动轨迹、形状、浮升速度、破碎以及湍动行为的影响显著,从气泡运动角度进一步认识列管的空间限制作用,有助于理解列管塔中宏观大尺度的两相流动规律。
【关键词】：大型鼓泡塔 流动发展 布气方式 列管内构件 CFD 气泡运动
【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】：TQ052
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 符号说明15-17
• 1 引言17-20
• 2 文献综述20-46
• 2.1 鼓泡塔内流体力学实验研究20-30
• 2.1.1 流型划分20-21
• 2.1.2 气含率21-25
• 2.1.3 液相平均速度与脉动速度25-28
• 2.1.4 气泡特性28-30
• 2.2 鼓泡塔流体力学CFD模型30-37
• 2.2.1 气液两相连续性方程与动量方程30-31
• 2.2.2 气液相间作用力31-34
• 2.2.3 两相湍流模型34-36
• 2.2.4 群体平衡模型36-37
• 2.3 气体分布器37-41
• 2.3.1 分布器的类型与设计37
• 2.3.2 分布器影响区与流动的发展37-39
• 2.3.3 分布器对流动的影响39-41
• 2.4 垂直列管内构件41-44
• 2.4.1 列管传热系数测量41-42
• 2.4.2 列管对流动的影响42-43
• 2.4.3 列管影响的模型研究43-44
• 2.5 本文工作内容44-46
• 3 实验装置及测量方法46-54
• 3.1 实验装置46-48
• 3.2 测量方法48-50
• 3.2.1 电导探针48-49
• 3.2.2 Pavlov管49-50
• 3.3 数据处理及误差估计50-54
• 4 布气方式对无列管的鼓泡塔流动影响的实验研究54-72
• 4.1 实验内容54
• 4.2 平均气含率54-55
• 4.3 局部气含率55-60
• 4.3.1 表观气速的影响55-56
• 4.3.2 轴向高度的影响56-58
• 4.3.3 布气方式的影响58-60
• 4.4 轴向液速60-65
• 4.4.1 表观气速的影响60-61
• 4.4.2 轴向高度的影响61-63
• 4.4.3 布气方式的影响63-65
• 4.5 液相脉动速度65-70
• 4.5.1 表观气速的影响65-66
• 4.5.2 轴向高度的影响66-68
• 4.5.3 布气方式的影响68-70
• 4.6 空塔的放大效应70-71
• 4.7 小结71-72
• 5 布气方式对无列管的鼓泡塔流动影响的CFD模拟72-87
• 5.1 双气泡径向力平衡模型72-74
• 5.1.1 模型方程72-73
• 5.1.2 相间作用力本构关系73-74
• 5.2 模型求解方法74-75
• 5.3 结果与讨论75-85
• 5.3.1 气含率75-77
• 5.3.2 流体速度77-80
• 5.3.3 湍流动能80-81
• 5.3.4 气泡横向作用力分析81-82
• 5.3.5 与单气泡模型比较82-84
• 5.3.6 空塔放大效应的模拟84-85
• 5.4 小结85-87
• 6 布气方式对带列管的鼓泡塔流动影响的实验研究87-105
• 6.1 实验内容87-88
• 6.2 平均气含率88-89
• 6.3 局部气含率89-95
• 6.3.1 表观气速的影响89-90
• 6.3.2 列管密度的影响90-91
• 6.3.3 轴向高度的影响91-94
• 6.3.4 布气方式的影响94-95
• 6.4 轴向液速95-99
• 6.4.1 表观气速的影响95-96
• 6.4.2 列管密度的影响96-97
• 6.4.3 轴向高度的影响97-98
• 6.4.4 布气方式的影响98-99
• 6.5 液相脉动速度99-103
• 6.5.1 表观气速的影响99-100
• 6.5.2 列管密度的影响100-101
• 6.5.3 轴向高度的影响101-102
• 6.5.4 布气方式的影响102-103
• 6.6 分析与讨论103-105
• 7 布气方式对带列管的鼓泡塔流动影响的CFD模拟105-120
• 7.1 密集列管束的多孔介质模型105-107
• 7.1.1 模型方程105-106
• 7.1.2 列管束源项本构关系106-107
• 7.1.3 升力系数的修正107
• 7.2 模型求解方法107
• 7.3 结果与讨论107-119
• 7.3.1 气含率108-109
• 7.3.2 轴向液速109-111
• 7.3.3 湍流动能111-113
• 7.3.4 列管影响项的敏感性分析113-115
• 7.3.5 列管塔中分布器影响区放大效应的讨论115-119
• 7.4 小结119-120
• 8 带针翅列管的鼓泡塔流体力学研究120-136
• 8.1 实验内容120-121
• 8.2 平均气含率121-122
• 8.3 局部气含率122-127
• 8.3.1 表观气速的影响122-123
• 8.3.2 列管类型的影响123-124
• 8.3.3 轴向高度的影响124-126
• 8.3.4 布气方式的影响126-127
• 8.4 轴向液速127-131
• 8.4.1 表观气速的影响127-128
• 8.4.2 列管类型的影响128-129
• 8.4.3 轴向高度的影响129-130
• 8.4.4 布气方式的影响130-131
• 8.5 液相脉动速度131-133
• 8.5.1 表观气速的影响131-132
• 8.5.2 轴向高度的影响132-133
• 8.6 列管非均匀布置的影响133-135
• 8.7 小结135-136
• 9 气泡在密集列管约束下的运动规律模拟136-148
• 9.1 气泡在管内与管道间浮升的“壁面效应”136
• 9.2 数学模型136-137
• 9.3 模型求解方法137-138
• 9.4 网格无关性及模型验证138-139
• 9.5 结果与讨论139-146
• 9.5.1 气泡轨迹139-141
• 9.5.2 气泡形状141-142
• 9.5.3 气泡上升速度142-144
• 9.5.4 气泡破碎及湍动行为144-146
• 9.6 小结146-148
• 10 结论及展望148-150
• 10.1 结论148-149
• 10.2 展望149-150
• 参考文献150-161
• 作者简介161

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张煜;湍动鼓泡塔充分发展段的流体力学与内构件技术研究[D];浙江大学;2011年

，

本文编号：936123