ae流体力学在填充床反应器中的应用进展

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1、万方数据第21卷第2期2005年4月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol21．No2Apr．2005文章编号：l∞l一763l(2005)02一0149一09纩”””贻””Nl综述i吣≈f荨苷荨{≠亭≈f亭导导≈兔；∥计算流体力学在填充床反应器中的应用进展穆斌高韦贾金明程振民(华东理工大学国家重点实验室联合化学反应工程研究所，上海200237)摘要；在使用计算流体力学(CFD)方法模拟填充床反应器时，为了描述填充床中的气液流动情况，目前主要运用基于体积平均法的双流体数学

2、模型，辅以空隙率分布，填料润湿效率以及轴向扩散等经验关联式来计算填充床中的压降、持液量、停留时间分布等重要参数。近年来填充床反应器cFD数学模型韵几个研究重点是动量交换系数、毛细管压力以及床层空隙率的非均匀分布性。简要介绍了涓流床、固定床、填料塔等填充床反应器及其内部构件研究中CFD软件模拟的应用进展情况和发展趋势。关键词：计算流体力学；渭流床；固定床；填料塔；多相反应器；双流体模型中圈分类号：TQ052文献标识码：A近年来，计算流体力学(CFD)已经成为研究多相流的一个重要工具"2。。在一些相对简单的系统中，CFD已经被用来模拟单相流

3、或多相流。但是对于较复杂的系统，例如填充床，因其中曲折多孔的复杂形态以及流体与流体之间、流体与填料之间的相互作用，CFD模拟研究的进展仍然很缓慢。另外，虽然国外学者已经开始使用CFD研究填充床反应器，但是国内至今仍然鲜有相关的报道。1数学模型对于涓流床一类的填充床，填料直径一般介于10一3～10_2m，床层内的气液流动可以用层流模型。运用气液两相双流体模型及体积平均法可以得到气液两相流的瞬时方程组，气相和液相的动量守恒方程可以表示为：罢(胁拙i)+“：昙(依鼬{)一筹一^。器±Bg+R(1)对于填料塔一类的填充床，填料直径一般介于10卅

4、～10_1m，床层中的气液流动已趋于湍流状态，特别是没有液体时的单相气体流动不能再以层流模型处理，因此方程(1)中必须加上湍流雷诺应力项。略去了湍流雷诺时均运算中产生的高阶相关量和相对小量后，单相气流的动量守恒方程可表示为：丢(∥)+“i丢(彬)=筹一器±JDg+嘉<一∥∥，>(2)另外，气、液相连续性方程为：蔷(依^·)+玉(＆几“i)一o：3)收稿日期：2004一05—28；修订日期：2005一01一07作者简介：穆斌(1980一)，男，硕士研究生；程振民(1967一)，男，教授，通讯联系人，E—mail：zmcheng@ecust

5、．edu．cn万方数据万方数据万方数据万方数据第2l卷第2期穆斌等．计算流体力学在填充床反应器中的应用进展153图3Tbblerone结构Fig．3TobIeroneStructure图4REU结构示意图Fig．4schematicIillustrationofREU基于这个方法，Gulijk‘241计算了规整填料塔内的液体径向分布系数。在装有KATAPAK—M@规整催化填料的50mm直径圆管内，Scala等眺3用实验测定和三维CFD模拟了冷空气与热壁的对流换热情况，发现两种方法得到的结果是一致的。Krishna，Baten，Ellen

6、berger等[26~29]对KATAPAK—S固催化填料进行了详细研究。他们用示踪剂测停留时间分布(RTD)曲线的方法实验测定了液体在填料中的轴、径向扩散系数和传质性能，然后用CFD商业软件CFX模拟计算了气液传质性能。在Toblerone模型的基础上，Larachi和Petre等人[30~323把规整填料中的流体通道划分为四种代表性基本单元，称作REU(representativeelementaryunit，图4)。然后，在REU结构中使用方程(2)进行计算，对每一种类型都建立机理模型，并对影响干填料压降的主要类型进行了三维模拟，

7、将计算出的欧根系数代入双缝模型中，然后结合方程(1)预测了规整填料的压降、持液量和润湿率。3．2散堆填料塔的研究Yin等人[33~3朝在方程(1)的基础上，联合包括轴向扩散关联式(式18)，二维空隙率分布关联式(式17)，气、液传质系数关联式，填料表面润湿率关联式在内的五个辅助方程构成一个闭合模型，对填料塔内液体分布、持液量以及气液传质性能从实验测量和CFD软件模拟两方面进行了研究。为了验证CFD模拟的精度，使用伽马射线装置测定了床层横截面的持液量分布情况。对比实验结果和模拟结果，可以看出，通过选择适当的辅助方程，CFD模拟可以很好的预

8、测床层的流体力学性能，其预测精度高于传统模型。，J＼一o．867P钆一5．337×10一4RP}472尺e吕293I*l(18)＼“f／^o其中P乱，为轴向Peclet数；以=≥为填料当量直径；口，为填料比