氣升式環(huán)流反應(yīng)器

1、氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)計(jì)算流體力學(xué)的模擬姓名：承豪姓名：承豪專業(yè)：生物化工專業(yè)：生物化工學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：642081703002642081703002目錄氣升式環(huán)流反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)氣升式環(huán)流反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果及討論模擬結(jié)果及討論數(shù)值模擬過(guò)程數(shù)值模擬過(guò)程結(jié)論結(jié)論氣升式環(huán)流反應(yīng)器區(qū)別于普通鼓泡床反應(yīng)器氣升式環(huán)流反應(yīng)器區(qū)別于普通鼓泡床反應(yīng)器的關(guān)鍵在于其內(nèi)部有一個(gè)導(dǎo)流筒，氣相從導(dǎo)的關(guān)鍵在于其內(nèi)部有一個(gè)導(dǎo)流筒，氣相從導(dǎo)流筒上升或從導(dǎo)流筒外的環(huán)隙上升，由此產(chǎn)流筒上升或從導(dǎo)流筒外的環(huán)隙上升，由此產(chǎn)生的導(dǎo)流筒內(nèi)外的密度差驅(qū)動(dòng)物料在反應(yīng)器生的導(dǎo)流筒內(nèi)外的密度差驅(qū)動(dòng)物料在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)氣液

2、混合和必要的停內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)氣液混合和必要的停留時(shí)間。留時(shí)間。這個(gè)反應(yīng)器具備了氣升式這個(gè)反應(yīng)器具備了氣升式反應(yīng)器的基本特征反應(yīng)器的基本特征 反反應(yīng)器外筒、導(dǎo)流筒以及氣應(yīng)器外筒、導(dǎo)流筒以及氣體分布器，反應(yīng)器內(nèi)充滿體分布器，反應(yīng)器內(nèi)充滿常溫液體水，氣相從反應(yīng)常溫液體水，氣相從反應(yīng)器底部的環(huán)形入口進(jìn)入反器底部的環(huán)形入口進(jìn)入反應(yīng)器，沿導(dǎo)流筒外的環(huán)隙應(yīng)器，沿導(dǎo)流筒外的環(huán)隙空間空間(上升段上升段)上升。反應(yīng)上升。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖所示。器結(jié)構(gòu)如圖所示。數(shù)值模擬過(guò)程數(shù)值模擬過(guò)程模擬過(guò)程參數(shù)的設(shè)定模擬過(guò)程參數(shù)的設(shè)定歐拉一歐拉模型歐拉一歐拉模型歐拉模型方程組歐拉模型方程組歐拉一歐拉模歐拉一歐拉模型目前使用較多

3、的兩流體模型是將每一種流體都看作是充滿整目前使用較多的兩流體模型是將每一種流體都看作是充滿整個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì)，針對(duì)兩相分別寫出質(zhì)量、動(dòng)量和能量守個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì)，針對(duì)兩相分別寫出質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，通過(guò)相界面間的相互作用恒方程，通過(guò)相界面間的相互作用(動(dòng)量、能量和質(zhì)量的交換動(dòng)量、能量和質(zhì)量的交換)將兩組方程耦合在一起。針對(duì)每一相可以用歐拉方法或拉格將兩組方程耦合在一起。針對(duì)每一相可以用歐拉方法或拉格朗日方法描述，而采用基于兩相均使用歐拉方法描述的便是朗日方法描述，而采用基于兩相均使用歐拉方法描述的便是歐拉一歐拉模型。該模型對(duì)每相求解一組運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性歐拉一歐拉模型。該模型對(duì)每相求解一組

4、運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程，通過(guò)壓力和相間交換系數(shù)進(jìn)行耦合，耦合結(jié)果取決于方程，通過(guò)壓力和相間交換系數(shù)進(jìn)行耦合，耦合結(jié)果取決于所涉及的相的類型。當(dāng)體系是氣泡與液相所涉及的相的類型。當(dāng)體系是氣泡與液相(水水)時(shí)，方程之間時(shí)，方程之間的耦合通過(guò)氣泡和水之間的相互作用規(guī)律進(jìn)行。的耦合通過(guò)氣泡和水之間的相互作用規(guī)律進(jìn)行。歐拉模型方程組歐拉模型方程組基于以上假設(shè)的歐拉模型方程組如下：連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：n為分散相的個(gè)數(shù)，本文研究的體系僅有一個(gè)分散相(氣相)，所以，n=1；下標(biāo)k分別代表氣相(g)和液相(l)，本文不考慮氣液之間的傳質(zhì)，所以 。0mn1ppk動(dòng)量守恒方程：動(dòng)量守恒方程：模擬過(guò)程參數(shù)的設(shè)定使用

5、FLUENT60中的前處理軟件Gambit用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)反應(yīng)器的物理模型進(jìn)行了網(wǎng)格分割，基本尺寸為5 mm 時(shí)的網(wǎng)格劃分圖如下圖。u算法：使用非耦合的求解器算法：使用非耦合的求解器(segregated solver)進(jìn)行進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，當(dāng)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，當(dāng)模擬收斂且結(jié)果不再隨時(shí)間變化時(shí)，說(shuō)模擬收斂且結(jié)果不再隨時(shí)間變化時(shí)，說(shuō)明已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即通過(guò)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)結(jié)果，對(duì)上明已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即通過(guò)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)結(jié)果，對(duì)上述模型的模擬發(fā)現(xiàn)時(shí)間述模型的模擬發(fā)現(xiàn)時(shí)間t=1180 S后，模擬結(jié)果隨時(shí)間不再后，模擬結(jié)果隨時(shí)間不再變化。變化。u邊界條件：氣相進(jìn)口為速度進(jìn)口，反應(yīng)器上部液面設(shè)邊界條件：氣相進(jìn)口為

6、速度進(jìn)口，反應(yīng)器上部液面設(shè)為壓力出口，反應(yīng)器器壁及導(dǎo)流筒器壁均設(shè)為非滑移壁為壓力出口，反應(yīng)器器壁及導(dǎo)流筒器壁均設(shè)為非滑移壁面。面。u初始條件：由于液相初始狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài)，故其初始初始條件：由于液相初始狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài)，故其初始速度設(shè)為速度設(shè)為0，氣相初始條件為環(huán)隙內(nèi)的表觀氣速，其值分，氣相初始條件為環(huán)隙內(nèi)的表觀氣速，其值分別為別為0.0191、0.0250、0.0315、0.0380、0.0440 ms。結(jié)果與討論結(jié)果與討論氣相表觀速度對(duì)液相循環(huán)速度和氣含率的影響氣相表觀速度對(duì)液相循環(huán)速度和氣含率的影響導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)兩相流動(dòng)的影響導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)兩相流動(dòng)的影響網(wǎng)格劃

7、分水平對(duì)模擬結(jié)果的影響網(wǎng)格劃分水平對(duì)模擬結(jié)果的影響u網(wǎng)格劃分水平對(duì)模擬結(jié)果的影響對(duì)反應(yīng)器模型進(jìn)行了由粗到細(xì)對(duì)反應(yīng)器模型進(jìn)行了由粗到細(xì)5 5種水平的網(wǎng)格劃分，如下表所示。種水平的網(wǎng)格劃分，如下表所示。由上圖可知，網(wǎng)格水平由上圖可知，網(wǎng)格水平4下的模擬結(jié)果與水平下的模擬結(jié)果與水平5下的結(jié)果很接下的結(jié)果很接近，即當(dāng)網(wǎng)格劃分達(dá)到水平近，即當(dāng)網(wǎng)格劃分達(dá)到水平4時(shí)，模擬結(jié)果不再隨網(wǎng)格的細(xì)化時(shí)，模擬結(jié)果不再隨網(wǎng)格的細(xì)化而變化，說(shuō)明這時(shí)候的模擬結(jié)果可看作網(wǎng)格獨(dú)立的解。故后而變化，說(shuō)明這時(shí)候的模擬結(jié)果可看作網(wǎng)格獨(dú)立的解。故后續(xù)模擬都是在網(wǎng)格水平續(xù)模擬都是在網(wǎng)格水平4下進(jìn)行的。下進(jìn)行的。u氣相表觀速度對(duì)液相循環(huán)速

8、度和氣含率的影響氣相表觀速度對(duì)液相循環(huán)速度和氣含率的影響氣相作為液氣相作為液相循環(huán)的推相循環(huán)的推動(dòng)力來(lái)源，動(dòng)力來(lái)源，對(duì)液相循環(huán)對(duì)液相循環(huán)速度和氣含速度和氣含率會(huì)產(chǎn)生顯率會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，著的影響，結(jié)果如圖所結(jié)果如圖所示。示。由圖可知，環(huán)隙中液相表觀速度開始隨著氣相入口速度的增大而增大，由圖可知，環(huán)隙中液相表觀速度開始隨著氣相入口速度的增大而增大，因?yàn)闅饬吭龃?，?dǎo)流筒內(nèi)外的壓力差亦增大，所以液相循環(huán)速度也增因?yàn)闅饬吭龃螅瑢?dǎo)流筒內(nèi)外的壓力差亦增大，所以液相循環(huán)速度也增大。隨著氣量繼續(xù)增大，液相循環(huán)速度增大趨緩，這是因?yàn)橐合嗨俣却?。隨著氣量繼續(xù)增大，液相循環(huán)速度增大趨緩，這是因?yàn)橐合嗨俣仍龃笠鹆鲃?dòng)

9、阻力增大，最終液相速度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。增大引起流動(dòng)阻力增大，最終液相速度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。同時(shí)，導(dǎo)流筒內(nèi)外同時(shí)，導(dǎo)流筒內(nèi)外(上升段上升段)的氣含率隨著氣相表觀氣速的增大而增大，液的氣含率隨著氣相表觀氣速的增大而增大，液相循環(huán)速度的增大和上升段氣含率增大，都會(huì)使氣泡被液相夾帶進(jìn)入導(dǎo)流相循環(huán)速度的增大和上升段氣含率增大，都會(huì)使氣泡被液相夾帶進(jìn)入導(dǎo)流筒的量加大。根據(jù)導(dǎo)流筒外的氣相表觀速度筒的量加大。根據(jù)導(dǎo)流筒外的氣相表觀速度UGR和導(dǎo)流筒外的液相表觀速和導(dǎo)流筒外的液相表觀速度度ULR，分別由，分別由Hills和沈自求的關(guān)于上升段氣含率和沈自求的關(guān)于上升段氣含率R與上升段表觀氣速和與上升段表觀氣速和表觀

10、液速之間的關(guān)系，計(jì)算得到上升段氣含率值。表觀液速之間的關(guān)系，計(jì)算得到上升段氣含率值。CFD 的模擬值和經(jīng)驗(yàn)的模擬值和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的計(jì)算值均示于下圖中。關(guān)系式的計(jì)算值均示于下圖中。由圖可以看到，上升段氣含率由圖可以看到，上升段氣含率R的的CFD模擬值與沈自求關(guān)系式以及模擬值與沈自求關(guān)系式以及Hills關(guān)系式的計(jì)算值非常接近，也即操作表觀氣速關(guān)系式的計(jì)算值非常接近，也即操作表觀氣速 。 和和CFD模擬模擬得到的液相循環(huán)速度得到的液相循環(huán)速度 和氣含率很好地符合了這兩種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，和氣含率很好地符合了這兩種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，這驗(yàn)證了所使用的這驗(yàn)證了所使用的CFD模型具有很好的可靠性。模型具有很好的可靠性。u

11、導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)兩相流動(dòng)的影響導(dǎo)流筒直徑和導(dǎo)流筒位置高度對(duì)液相循環(huán)速度和氣含率都會(huì)產(chǎn)生影響。導(dǎo)流筒直徑和導(dǎo)流筒位置高度對(duì)液相循環(huán)速度和氣含率都會(huì)產(chǎn)生影響。此圖說(shuō)明導(dǎo)此圖說(shuō)明導(dǎo)流筒直徑的流筒直徑的增大并不能增大并不能使液相循環(huán)使液相循環(huán)量無(wú)限增大。量無(wú)限增大。由圖可以看出，由圖可以看出，導(dǎo)流簡(jiǎn)直徑增導(dǎo)流簡(jiǎn)直徑增大，上升段的大，上升段的氣含率隨著導(dǎo)氣含率隨著導(dǎo)流簡(jiǎn)直徑的增流簡(jiǎn)直徑的增大而增大。導(dǎo)大而增大。導(dǎo)流筒內(nèi)的氣含流筒內(nèi)的氣含率很小，隨著率很小，隨著導(dǎo)流簡(jiǎn)直徑的導(dǎo)流簡(jiǎn)直徑的增大略有增大。增大略有增大。導(dǎo)流筒距離反應(yīng)器底部位導(dǎo)流筒距離反應(yīng)器底部位置升高，液相循環(huán)速增大。置升高，液相

12、循環(huán)速增大。當(dāng)然，導(dǎo)流筒頂端不能超當(dāng)然，導(dǎo)流筒頂端不能超過(guò)反應(yīng)器液面，否則就無(wú)過(guò)反應(yīng)器液面，否則就無(wú)法形成有效的環(huán)流。法形成有效的環(huán)流。上升段氣含率隨著導(dǎo)流筒上升段氣含率隨著導(dǎo)流筒高度的增高而降低。導(dǎo)流高度的增高而降低。導(dǎo)流筒內(nèi)氣含率接近于零，并筒內(nèi)氣含率接近于零，并無(wú)顯著變化，說(shuō)明該條件無(wú)顯著變化，說(shuō)明該條件下，氣泡被夾帶進(jìn)入導(dǎo)流下，氣泡被夾帶進(jìn)入導(dǎo)流筒的量很小。筒的量很小。(1)用兩流體模型的模擬方法對(duì)氣升式反應(yīng)器內(nèi)用兩流體模型的模擬方法對(duì)氣升式反應(yīng)器內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行了有效的預(yù)測(cè)，得出的反部氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行了有效的預(yù)測(cè)，得出的反應(yīng)器設(shè)計(jì)放大中的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)器設(shè)計(jì)放大中的關(guān)鍵參數(shù)液相循環(huán)速度、液相循環(huán)速度、氣含率符合經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，說(shuō)明該氣含率符合經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，說(shuō)明該CFD模模型對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部氣液兩相的流動(dòng)特征的認(rèn)識(shí)是型對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部氣液兩相的流動(dòng)特征的認(rèn)識(shí)是正確的。正確的。(2)導(dǎo)流簡(jiǎn)直徑和導(dǎo)流筒在氣升式反應(yīng)器