探索毛细通道中溶质taylor分散的数值模拟

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1、北京化工大学硕士学位论文毛细通道中溶质Taylor分散的数值模拟姓名：李响申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：刘辉20090527摘要毛细通道中溶质TayIor分散的数值模拟在催化反应工程中，改进常规多相反应器(如淤浆鼓泡床、滴流床反应器等)的性能具有重要意义。新型的整体式结构化催化反应器具有低压降、高传质速率和容易放大等优点，成为替代传统多相反应器的一个有吸引力的选择。本课题以结构化反应器为背景，采用计算流体力学和轴向扩散模型研究结构化反应器单通道(毛细管)内单相及两相流中溶质的Taylor分

2、散，以此考察结构化反应器单通道的混合特性，以期为此类反应器的放大、设计和操作提供基础依据。首先，基于Taylor分散法，对不同通道截面(圆形、正方形、三角形)毛细管中单相Taylor分散进行数值模拟，考察了通道形状、流动速度(在层流下考察)、物性(粘度，扩散系数等)对于轴向扩散系数的影响。模拟结果表明，流动速度及物性参数相同的条件下，圆形截面管的流动性能优于正方形截面管和三角形截面管；正方形截面管的混合性能优于圆形和三角形截面管。其次，对毛细管中单相分离流中溶质Taylor分散进行了数值模拟，考察了通

3、道中内置障碍物形状、流动速度(在层流下考察)、扩散系数等对于轴向扩散系数的影响。模拟结果表明：单相分离流中溶质Taylor分散的轴向扩散系数随入口流速、液栓长度、毛细管管径的增加而增大；液膜长度以及液膜厚度的改变对轴向扩散系数的影响不大；轴向扩散系数随分子扩散系数的增加而减小；多个单元胞的轴向扩散系数随胞数的增加而线性增加。最后，以结构化反应器为背景，对毛细管中气液两相并流中溶质Taylor分散进行了数值模拟，考察了表观气、液流速、单元胞长度、液膜厚度、液膜长度以及示踪剂分子扩散系数等对轴向扩散系数的

4、影响。模拟结果表明：毛细管气液两相流中溶质Taylor分散单元胞的轴向扩散系数随表观气速、表观液速、单元胞长度、毛细管管径、液膜厚度以及气泡长度的增大而增大，随示踪剂分子扩散系数的增大而减小，示踪溶液粘度的改变，不影响轴向扩散系数；多个单元胞的轴向扩散系数随单元胞数的增加而减小。关键词：Taylor流动；毛细管；结构化反应器；CFD模拟；轴向扩散系数；液相混合IIABSTRACTNUMERICALSIMULATIoNSOFSOLUTETAYLoRDISPERSIONlNCAPILLARYIntheca

5、talyticreactionengineering，improvementsinperformanceoftheconventionalmulti—phasereactorssuchasaslurrybubblereactorandatrickle-bedreactorcouldleadtosubstantialbenefitsinapplications．Asanewtypeofmulti-phasereactors，monolithicorstructuredreactorisanattract

6、ivealtemative，owingtoitslowerpressuredrop，higherrateofmasstransferandeasetoscaling—up．Thepresentworkisbasedonthebackgroundofmonolithreactor，CFD(ComputationalFluidDynamics)numericalsimulationsandaxialdiffusionmodelwerecarriedouttocomputetheaxialdiffusion

7、coefficient(Da)ofthesoluteTaylordispersioninsingle·phaseandtwo-phaseflowsincapillaries，theliquidmixingperformancewasinvestigatedbythiswork，soastoprovidebasicsforthedesign，developmentandoperationofsuchreactors．First，basedontheTaylordispersionmethod，numer

8、icalsimulationswereadoptedtostudythesoluteTaylordispersioninsingle-phaseflowincapillarieswithdifferentsectionshapes(circle，cubeandtriangle)．Theeffectsofsectionshapes、liquidvelocity(underlaminarflowcondition)、viscosityandmoleculed