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热态多相搅拌反应器流体力学性能研究

作　者: 陈雷
导　师: 高正明；包雨云
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 多相流热态多层桨气-液分散固-液悬浮气泡特性数值模拟
分类号: TQ021.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

多相搅拌反应器广泛应用于石油、化工、生物、冶金、食品、制药及水处理等过程工业,由于反应器内往往进行大量的强放热反应,导致实际操作温度并非常温,而已有的工作主要集中于常温多相反应器性能的研究,缺少对热态多相搅拌反应器的研究。本研究室已对常温和热态多相搅拌反应器宏观性能进行了对比研究,结果表明：热态通气体系与常温体系具有较大区别,热态通气体系的相对功率消耗(通气功率与纯液相功率之比,RPD)要高于常温通气体系；热态通气体系的总体气含率明显小于常温通气体系。但已有研究结果尚未揭示温度对各种宏观特性影响的定量关系,无法满足该类反应器优化设计的要求；由于未进行反应器内介观及微观特性研究,因此与从机理上理解气液分散及固液悬浮特性的差距仍较远。为此,本文率先利用实验与CFD模拟相结合的手段从宏观和介观两个尺度上对热态多相搅拌反应器进行了深入研究,为该类反应器的优化设计提供参考。本文首先从宏观特性研究着手,在直径为0.476 m,液位与槽径比为1.8的椭圆底不锈钢搅拌槽内进行实验,采用三层组合桨,底桨为六叶半椭圆管涡轮桨(HEDT),中层桨和顶层桨均为上提操作的四宽叶翼形桨(WHU),定量研究了气液两相及气液固三相搅拌反应器内温度对包括通气搅拌功率、整体气含率以及临界离底悬浮转速在内的宏观流体力学性能的影响规律,结果表明：体系中RPD随温度的升高而增大,但随固含率的增加,温度对RPD的影响程度减弱；整体气含率随温度的升高而明显下降,下降幅度也随固含率增加而减小；并获得了包含温度定量影响的经验关联式,为该类反应器的工业设计提供有益参考。宏观特性的研究虽然可以为多相搅拌反应器的设计提供参考,但通过这种“黑箱”研究的方法无法评价搅拌槽内不同区域的气液分散状况,更无法深入了解搅拌槽内气液分散机理。为此,本文利用研制开发的可用于热态体系的双电导探针气泡测量及分析系统,研究了热态气液两相体系内的局部气含率分布、气泡尺寸分布、气液相界面积分布以及热态三相体系内的局部气含率分布等介观特性。研究结果表明：两相及三相体系内局部气含率随温度的升高而下降,这与整体气含率的研究结果一致；两相热态体系中气泡的全槽平均直径比常温体系大21%,这也是导致热态体系中气含率较低的主要原因。在研究反应器内介观特性的过程中发现,多相搅拌反应器内的局部气含率分布及气泡尺寸分布均与反应器内液相流型密切相关,为此,本文采用PIV测试技术对三层组合搅拌桨(HEDT+2WHU)产生的复杂流场进行详细的实验研究和分析,研究发现HEDT+2WHU组合桨使流体在半槽内形成4个循环,能量最高处位于底桨射流区内,底桨叶片后方存在上下两个尾涡,沿径向方向向槽壁运动,而中层桨和顶桨后方仅有一个尾涡,沿轴向方向向液面运动,高湍流动能区随尾涡一起运动,从而实现能量自桨叶向槽内主体流动区的传递。该研究结果为今后进一步深入研究多相体系内的流体力学性能奠定了基础。采用多层桨的多相流搅拌反应器内的流体流动状况十分复杂,虽然本文通过实验研究的方法获得了一些结果,但需要消耗大量的时间和精力,因此本文利用计算流体力学(CFD)的方法,将Euler-Euler双流体模型与综合考虑了气泡聚并与破碎的群体平衡模型(PBM)相结合,对多层桨气液搅拌槽内的局部气含率分布、气泡尺寸分布以及局部容积传质系数分布进行了数值模拟,模拟结果与实验值相吻合,该研究结果可以为工业设计提供更有效的指导。通过对本实验体系内局部气含率分布研究发现,在顶层桨上方区域的局部气含率远远高于搅拌槽内的其它区域,这对于一些要求气体在体系内分布均匀的工业过程不利,为了实现通过搅拌器结构设计来控制局部气含率分布的目的,本文利用实验及CFD相结合的方法研究了顶层桨尺寸变化对气液两相体系内通气搅拌功率、整体气含率以及局部气含率的影响,结果表明：当顶层桨直径为0.5T时,顶层桨上方局部气含率最大值可达50%,随顶层桨直径的减小,局部气含率极大值也减小,当直径为0.33 T时,局部气含率极值几乎消失。该研究有助于实现对多层桨气液搅拌反应器内气液分散状态的可控设计。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-18
第一章文献综述  18-54
  1.1 多相流体系中测试方法的研究  19-22
    1.1.1 浸入式测试技术  19-21
    1.1.2 非浸入式测试技术  21
    1.1.3 小结  21-22
  1.2 气-液两相搅拌反应器内流动特性的研究  22-36
    1.2.1 宏观特性参数  23-26
    1.2.2 介观特性参数  26-34
    1.2.3 热态气-液两相搅拌反应器的研究  34-35
    1.2.4 小结  35-36
  1.3 气-液-固三相搅拌反应器内流动特性的研究  36-40
    1.3.1 宏观特性参数  36-39
    1.3.2 介观特性参数  39
    1.3.3 热态气-液-固三相搅拌反应器的研究  39-40
    1.3.4 小结  40
  1.4 多相搅拌反应器内流动特性CFD数值模拟  40-54
    1.4.1 CFD在搅拌反应器中的应用  41-43
    1.4.2 CFD在气-液两相搅拌反应器中的应用  43-52
    1.4.3 小结  52-54
第二章实验装置及测试技术  54-68
  2.1 实验装置及流程  54-59
    2.1.1 实验装置  54-57
    2.1.2 实验流程  57
    2.1.3 实验所用设备及仪器  57-58
    2.1.4 实验物系  58-59
  2.2 测试方法及数据处理  59-64
    2.2.1 宏观特性参数  59-62
    2.2.2 介观特性参数  62-64
  2.3 热态条件下总气量的确定  64-68
第三章热态气-液两相搅拌反应器内流体力学性能研究  68-106
  3.1 宏观特性  68-74
    3.1.1 通气搅拌功率  68-70
    3.1.2 整体气含率  70-74
    3.1.3 小结  74
  3.2 介观特性  74-106
    3.2.1 局部气含率分布  74-87
    3.2.2 气泡弦长分布  87-91
    3.2.3 气泡大小分布  91-102
    3.2.4 气-液相界面积分布  102-103
    3.2.5 小结  103-106
第四章热态气-液-固三相搅拌反应器内流体力学性能研究  106-130
  4. 1宏观特性  106-123
    4.1.1 通气搅拌功率  106-112
    4.1.2 整体气含率  112-117
    4.1.3 临界悬浮  117-122
    4.1.4 小结  122-123
  4.2 局部气含率分布  123-130
    4.2.1 冷态体系固相浓度的影响  123-124
    4.2.2 热态体系固相浓度的影响  124-127
    4.2.3 三相体系气体分散均匀性  127
    4.2.4 小结  127-130
第五章新型多层桨搅拌槽内的流动特性  130-140
  5.1 PIV技术  130-132
    5.1.1 PIV测速原理  130-131
    5.1.2 PIV系统的组成  131-132
  5.2 实验装置  132-134
  5.3 结果与讨论  134-139
    5.3.1 相位平均的流动特性  134-135
    5.3.2 相位解析的流动特性  135-139
  5.4 本章小结  139-140
第六章多层桨气-液搅拌槽内局部特性的数值模拟  140-164
  6.1 基本模型  140-151
    6.1.1 Euler-Euler双流体模型  140-141
    6.1.2 湍流模型  141-142
    6.1.3 相间动量传递  142-143
    6.1.4 搅拌槽内桨叶区的处理方法  143-145
    6.1.5 PBM模型  145-151
  6.2 模拟策略  151-153
    6.2.1 计算域及网格划分  151
    6.2.2 边界条件  151-152
    6.2.3 初始条件  152-153
  6.3 结果讨论  153-162
    6.3.1 流场  153-154
    6.3.2 局部气含率分布  154-155
    6.3.3 气泡大小分布  155-159
    6.3.4 容积传质系数  159-161
    6.3.5 HEDT桨叶后方气穴结构研究  161-162
  6.4 本章小结  162-164
第七章搅拌器结构对气-液分散的影响  164-178
  7.1 通气功率  165-167
    7.1.1 顶层桨尺寸的影响  165-166
    7.1.2 RPD关联式  166-167
  7.2 整体气含率  167-170
    7.2.1 顶层桨尺寸的影响  167-169
    7.2.2 整体气含率关联式  169-170
  7.3 局部气含率分布  170-172
  7.4 不同搅拌器气体分散特性模拟结果  172-176
    7.4.1 流场的变化  172-174
    7.4.2 局部气含率的变化  174-176
  7.5 本章小结  176-178
第八章主要结论  178-184
  8.1 主要结论  178-181
    8.1.1 热态气-液两相体系的实验研究  178-179
    8.1.2 热态气-液-固三相体系的实验研究  179-180
    8.1.3 新型多层桨搅拌槽内流动特性  180
    8.1.4 多层桨气-液搅拌反应器内局部特性数值模拟  180
    8.1.5 搅拌器结构对气-液分散的影响  180-181
  8.2 主要创新点  181-182
  8.3 前景展望  182-184
参考文献  184-190
致谢  190-192
研究成果及发表的学术论文  192-194
作者简介  194

热态多相搅拌反应器流体力学性能研究

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