探索气液反应器局部分散特性的实验与数值模拟

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1、浙江大学博士学位论文气液反应器局部分散特性的实验与数值模拟姓名：李良超申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：冯连芳；李伯耿；王嘉骏201008浙江大学博士学位论文摘要气液和气液固反应器广泛应用于石油化工、生物化工和废水处理等工业过程中。气液反应过程的强化、反应装置的大型化趋势对于气液反应器的设计、优化提出了新的要求，高通气量操作条件下气液分散特性是目前研究工作的薄弱点，反应器内局部气液分散行为的深入解析可以为现有反应器的优化操作和新结构反应器的开发提供指导。本文采用实验测量和数值模拟相结合的方法对高通气

2、量操作条件下气液反应器内的局部气液分散特性进行系统研究，取得了以下几个方面的研究结果。采用特制的双电导电极探针法对搅拌槽内气泡尺寸和局部气含率进行了测量，获得了中高通气量操作条件下搅拌槽内局部气液分散特性、以及操作条件对其的影响规律。结果表明：比之低通气量，在中高通气量下搅拌和通气对气液分散的控制能力逐渐减弱，全槽内气体分布的均匀性也变差；对于上层上翻斜叶桨和下层凹叶桨(PTU．CBT)双层组合式搅拌，通气量的增加导致下层搅拌桨向槽底部的气体循环能力减弱、下层搅拌桨局部区域气含率明显增加、上层搅拌桨区域气含

3、率增加不明显；高通气量操作条件下宜采用靠近边壁通气的多管式气体分布器。在欧拉双流体模型的基础上耦合气泡数密度(BND)模型、引入气泡破碎和聚并函数，建立了大范围通气量下搅拌槽内气液分散的计算流体力学(CFD)数值计算方法。以PTU．CBT组合桨为例获得了气液搅拌槽内的气相和液相速度场、气泡大小与分布、局部气含率等重要信息，数值模拟与实验数据吻合良好，表明该方法能很好地对较高通气量搅拌槽内气液分散特性进行模拟计算并可视化。进一步的模拟研究表明，通气量的增加使气液相局部循环涡流和返混减弱、搅拌桨端区域的最大气液

4、相速度明显减小；随通气量提高气泡尺寸明显增大并且分布均匀性变差，高通气量下液面附近气泡聚并增加易形成气泛；搅拌转速提高使平均气泡尺寸减小、搅拌桨作用区的局部气含率提高、全槽平均气含率也提高。基于传热和相变理论，采用UDF方法将流体相变模型加入到CFD中进行耦合计算，获得了不通气沸腾体系搅拌槽内流体力学特性。沸腾体系搅拌槽内汽含率分布与通气搅拌槽有很大的不同，沸腾体系搅拌槽内汽含率主要集中在靠近液Ⅱ浙江大学博士学位论文摘要面区域和上层桨叶片后部，槽体下部区域的汽含率几乎为零。另一方面，建立了预测搅拌槽内气体停

5、留时间分布的拉格朗日．示踪粒子法和欧拉．示踪剂方法，对气体在搅拌槽内的返混和分散特性进行了研究。数值模拟结果表明：气泡尺寸、搅拌转速和通气量对搅拌槽内气体的返混和分散有明显的影响。对多种双层桨组合进行实验和CFD数值模拟研究发现，在较高通气量相同操作条件下，PCBDT-CBDT桨组合的气液分散特性最佳；桨叶片上开孔的桨组合比其相对应叶片未开孔桨组合气液分散效率更高。对多种形式气体分布器数值模拟研究发现，在较高通气量下，且下层桨为径向流桨时宜采用大直径的气体分布器。将气泡尺寸和局部气含率的实验测量与CFD数值

6、模拟的研究扩展到鼓泡塔反应器。发现在鼓泡塔自下而上可分为鼓泡区、气泡过渡流域和充分发展流域，在过渡流域塔内气液分散特性随轴向高度变化敏感，在充分发展流域塔内气液分散基本不随轴向高度变化。根据塔内气液流型发展规律，提出了在鼓泡塔内设置多层气体分布器和增加导流筒内构件的创新构思，以调控塔内气液两相流。数值模拟研究表明：双层分布器相对单层分布器的鼓泡塔可改善在耗氧反应体系中氧浓度分布的均匀性，采用带导流筒的鼓泡塔可改善液体在塔内循环、使气液反应在全塔内更加均匀。关键词：高通气量；搅拌槽；鼓泡塔；气泡尺寸；气含率；

7、沸腾体系；停留时间分布；计算流体力学；数值模拟IIIABSTRACT．蛐’Jjquid锄dgas-liquid．solidmechanicallystirredreact。rsarewidelyappJied=：=?I脚印∞88砌砸湎eS，forexample，petrochemic乩bi。chemic鲥an二s：：ge竺伽p，roce．ss·‰theintensifi咖atinofgas．1iquidre刎0nprocess觚d乏：cale-u．p斫钾啊pment，newrequirementraiSed

8、foroptimizingtheexisting删orS0r三_S19179novelreactors晰thhighperformance．Investigationonnlel。calgas竺卿10n，in‰∞feactorscallprovideguidanceinoptimizati。n觚ddeSi。gn．H。mVer，duet0thecomplexity。fthegas—liquidsystema11dt