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列管内构件对鼓泡塔流动发展的影响研究

列管内构件对鼓泡塔流动发展的影响研究

作者：赵远方浙江大学

学位级别：硕士

鼓泡塔反应器因其具有良好的传热传质性能、操作简单、建造及操作成本低等优点,被广泛应用于石油化工、煤化工、环保和冶金等领域。鼓泡塔内流动区域的划分及其发展条件属于反应器开发中最基本的问题,对于无列管的空塔流动情况,国内外... 详细信息

鼓泡塔反应器因其具有良好的传热传质性能、操作简单、建造及操作成本低等优点,被广泛应用于石油化工、煤化工、环保和冶金等领域。鼓泡塔内流动区域的划分及其发展条件属于反应器开发中最基本的问题,对于无列管的空塔流动情况,国内外已经开展了大量研究,将塔内从下到上依次划分为分布器影响区、充分发展区、气液分离区,给出了各区大小与存在判据。但对于塔内安装密集列管内构件的情况,目前还没有流动区域划分及流动发展的研究报道。本文率先在Φ500×4000mm的大型冷模实验装置内考察了列管束内构件对鼓泡塔区域划分与流动发展的影响,测定了塔内流动参数分布,采用计算流体力学(CFD)方法进行了流场模拟,从实验与理论两个方面阐明了列管内构件的存在对塔内流动发展的影响,为气液鼓泡塔流体力学提供了新的内容。本文首先以空气-水为工作体系,分别采用电导探针和Pavlov管测量了有、无列管的鼓泡塔内不同轴向高度的气含率和液体流速径向分布。实验表明,在安装密集列管的鼓泡塔内也存在着充分发展段。与空塔不同的是,列管束的存在使分布器影响区显著延长,从空塔的约两倍塔径高度增至约四倍塔径高度,在本文冷模装置中占据塔体积的50%以上,充分发展段不再占据鼓泡塔的主要部分。而当液位高度足够高时,列管塔内流动仍可以充分发展,在充分发展段内气含率和液体速度径向分布较空塔变得更为陡峭。在本文实验条件下,高径比或液位高度对流动发展没有明显的影响,分布器影响区大小不变。随后,在实验基础上对列管塔进行了流体力学建模与CFD模拟,将列管内构件的作用分别考虑为动量体积源项、动能体积源项与耗散体积源项,加入到相关的动量方程和k-ε方程中。模拟计算的气含率和液体速度与实验结果符合良好,能够解释列管束对鼓泡塔流动发展产生的影响。

关键词：鼓泡塔分布器影响区充分发展段列管束内构件 CFD

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

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基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

作者：王珏中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)

学位级别：硕士

鼓泡塔反应器因其结构简单,产能大,易操作,良好的传质传热特性,而被广泛的应用于传统化工、石油化工和生物化工等过程,例如氧化过程、费-托合成、生物发酵、废水处理等。不同工艺条件下鼓泡塔内部流型变化、气液两相相互作用是典型的多... 详细信息

鼓泡塔反应器因其结构简单,产能大,易操作,良好的传质传热特性,而被广泛的应用于传统化工、石油化工和生物化工等过程,例如氧化过程、费-托合成、生物发酵、废水处理等。不同工艺条件下鼓泡塔内部流型变化、气液两相相互作用是典型的多尺度问题。鼓泡塔中多尺度现象的深入研究对工业生产中反应器的逐级放大、结构设计、操作优化都有重要的意义。随着计算机技术的发展和计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)模型的成熟,使用数值模拟方法研究鼓泡塔内部气液流动状态成为化工流体力学的重要研究手段。气泡粒径作为两相流(Two Fluid Model,TFM)模型的输入参数对模拟结果的准确度有着重要意义。鉴于此,本文的主要目标是研究气泡尺径因素对高气速工况条件下鼓泡塔内气液CFD模拟结果的影响,以及基于能量最小多尺度(Energy Minimization Multi-Scale,EMMS)方法的群平衡(Population Balance Model,PBM)模型模拟气泡尺径分布中的应用。主要内容如下:第1章综述了鼓泡塔反应器理论研究与实验成果,以及近年来计算流体动力学模拟的发展和群平衡理论在鼓泡塔反应器中的应用,最后介绍了能量最小多尺度(EMMS)模型和EMMS-PBM耦合方法。第2章简要介绍计算流体力学耦合群平衡模型的基本设置,采取了Gambit软件进行网格划分,选取了针对本文体系的相间作用力模型和湍流模型等参数对鼓泡塔反应器进行建模。第3章中研究了基于EMMS模型修正的PBM模型对模拟结果的影响,将其与未修正的PBM模型以及均一气泡尺径模型进行对比。研究发现考虑了介尺度能量耗散的PBM模型对气泡尺径分布的模拟结果有很大的改善作用,气泡尺径的不同描述方法对气液两相流的模拟起到了明显的影响。第4章、第5章的研究进一步补充了气泡尺径对鼓泡塔研究的影响提供了相应的补充,讨论了采用均一气泡法初始气泡尺径设置以及曳力模型对气含率和轴向液速的影响。讨论了 PBM模型对高气速下气泡尺径鼓泡塔轴向和径向位置非均匀分布,对比了不同群平衡聚并核函数修正因子对气泡尺径、气含率,轴向液速等结果的影响。最后,第6章进行了总结与展望。

关键词：计算流体力学气液两相流群平衡模型鼓泡塔气泡尺径分布

多级分段鼓泡塔返混特性及周期性气相脉冲操作的研究

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多级分段鼓泡塔返混特性及周期性气相脉冲操作的研究

作者：金智超华东理工大学

学位级别：硕士

鼓泡塔是一种常见的多相反应器,因其具有结构简单、液相停留时间长、传热传质效率高、操作和维护费用低等突出的优势,尤其适合反应速度慢和热效应明显的化学反应,在石化工业、生物与环境工程等领域得到了广泛的应用。无内构件鼓泡塔的... 详细信息

鼓泡塔是一种常见的多相反应器,因其具有结构简单、液相停留时间长、传热传质效率高、操作和维护费用低等突出的优势,尤其适合反应速度慢和热效应明显的化学反应,在石化工业、生物与环境工程等领域得到了广泛的应用。无内构件鼓泡塔的液相大尺度循环流动造成了其严重的液相返混现象,影响了鼓泡塔的性能,难以满足生产工艺的需求。本文基于多釜串联结构可以有效地减轻反应器返混程度的机理,将一种新型隔板内构件引入传统空心鼓泡塔,形成了多级分段鼓泡塔,通过对液相大尺度循环流动进行分割,起到抑制液相返混的作用。目前对于多级分段鼓泡塔内流动与混合过程的认识还不够充分,有必要深入研究其返混特性,为反应器的操作和设计提供指导。实验在一直径0.5 m、高5.3 m的气液两相鼓泡塔冷模装置中进行,主要考察了加入隔板前后鼓泡塔的液体轴向速度分布和停留时间分布的差异。液体轴向速度分布的实验表明,隔板内构件的加入可以使鼓泡塔内的液体轴向速度分布变得平缓,液体中心线速度降低,边壁附近的反向液速也减小,轴向液速的转折点更靠近边壁,液相大尺度循环流动受到了限制,从而减轻了液相返混。采用脉冲示踪法测定停留时间分布,并采用多釜串联模型对比加入隔板前后的液相返混情况。结果表明,安装隔板的多级分段鼓泡塔液相返混程度显著降低,等效全混釜数N相比空塔最多提高了 86.7%;表观液速是影响返混最主要的因素。通过量纲分析拟合,得到了预测鼓泡塔液相返混程度的经验公式。基于周期性流体脉冲可以改善反应器返混特性的缘故,在多级分段鼓泡塔中引入了周期性的气相脉冲操作。通过停留时间分布的测定,验证了周期性气相脉冲对多级分段鼓泡塔返混程度起到了减轻的作用,在实验条件范围内,周期性气相脉冲操作最多可使等效全混釜数N升高15.4%。而在空塔对照实验中,周期性气相脉冲对返混程度的影响很小。

关键词：鼓泡塔返混停留时间分布液体轴向速度周期性气相脉冲

含水离子液体鼓泡塔气液两相流动行为的实验和数值模拟

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含水离子液体鼓泡塔气液两相流动行为的实验和数值模拟

作者：秦雪莹中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

离子液体作为一种新型介质具有结构可设计性、热稳定性良好、饱和蒸气压低等优点,在气体分离、反应催化等领域具有很大的应用潜力。但要实现离子液体技术的工业化,对该体系进行流动传递特性的研究至关重要,比如由于离子液体具有较高粘度... 详细信息

离子液体作为一种新型介质具有结构可设计性、热稳定性良好、饱和蒸气压低等优点,在气体分离、反应催化等领域具有很大的应用潜力。但要实现离子液体技术的工业化,对该体系进行流动传递特性的研究至关重要,比如由于离子液体具有较高粘度,导致其传质效率较低。作为一种降粘措施,在离子液体中添加微量水则可极大降低粘度,提高传质效率;另一方面,离子液体在生产和使用过程中通常都会有少量水存在,开展微量水存在下离子液体的研究是非常必要的。在此背景下,本论文主要采用实验及计算流体力学(CFD)模拟的方法,对含水离子液体中单气泡及多气泡行为进行研究。主要研究内容及成果如下:(1)开展了含水离子液体中气泡行为的实验研究。采用高速摄像技术对不同水含量离子液体及水中气泡形态、大小及分布等规律进行了研究,采用床层膨胀法计算得到整体气含率随气速以及水含量变化的影响规律。研究发现离子液体中气泡行为同水中气泡行为有很大的差异,水含量对离子液体气泡行为有很大影响,水含量越低,气含率越高、气泡直径越大、气泡分布范围越宽。(2)开展了含水离子液体中单气泡行为的CFD模拟研究。采用VOF方法对气液相界面进行了追踪,考察了水含量对气泡变形及运动速度的影响规律,结合文献中的实验数据对模型模拟结果进行了验证;通过对气泡周围速度场、压力场的分析对气泡运动、变形的原因进行了分析。研究发现,水含量越高,气泡变形越大,气泡运动速度越快。通过对含水离子液体中单气泡行为的研究,可为多气泡行为研究奠定基础,为反应器设计提供依据。(3)开展了含水离子液体中多气泡行为的模拟研究。建立了CFD-PBM模型对鼓泡塔内气泡分布状况进行了研究,该模型引入了预测离子液体同水混合物物性的FCCS模型,同传统实验数据输入的结果相比二者之间的平均误差为1.13%,说明FCCS模型可以用于含水离子液体多气泡行为的模拟研究。通过与实验结果的对比验证了模型的准确性,并且与单一气泡模型相比,CFD-PBM模型同实验结果的吻合性更好。考察了水含量、气速对气含率、速度场以及气泡大小及分布的影响规律,模拟结果发现,水含量越低气含率越高,水含量及气速越低,气含率和液速的径向分布越对称。

关键词：离子液体鼓泡塔气泡行为 CFD-PBM 气-液两相流 VOF

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鼓泡塔反应器分布板的开孔率和液体返混

化工学报 1979年第2期 185-194页

作者：莫之光梁应昌李遴榷范琼嘉陈德峻傅万飞华南工学院化学工程硏究室

考察鼓泡塔内鼓泡现象,发现气流经过小孔的速度（称为小孔气速）需大于某一临界值。计算并比较了气流通过多孔板的干板压力降和表面能损耗,提出计算此临界气速的公式和确定最大开孔率的方法。用脉冲注入法测定鼓泡塔液体停留时间分布... 详细信息

考察鼓泡塔内鼓泡现象,发现气流经过小孔的速度（称为小孔气速）需大于某一临界值。计算并比较了气流通过多孔板的干板压力降和表面能损耗,提出计算此临界气速的公式和确定最大开孔率的方法。用脉冲注入法测定鼓泡塔液体停留时间分布,提出非整数串连混合器模型,推导出其停留时间分布曲线方程式,计算结果与实验数据相符。并验证了Towell的轴向分散系数的计算方法。

关键词：小孔示踪物分布器示踪剂混合器气速鼓泡塔开孔率