气液鼓泡床内液体循环的研究

摘要

鼓泡床反应器具有结构操作简单、无机械传动部件、易封闭、相际接触面积大、传热和传质效率高、容易实现工业放大等优点，因而成为一种最重要的“气液”或“气液固”多相反应器，在工业过程中得到了广泛应用，如何准确的描述和预测鼓泡床中的液体流速沿径向的分布，关系到鼓泡床反应器的设计、放大和优化。然而由于多相流反应器的行为受体系物性参数和反应器结构的综合影响，同时具有明显的放大效应，因此尽管鼓泡床反应器具有优良的性能和广阔的应用前景，在工业化推广应用方面尤其在反应器的结构设计、装置放大、优化操作以及性能预测方面尚缺乏足够的理论指导。要进一步推动鼓泡床的工业化应用，必须寻求新的研究方法和思路。
　　 本文首先基于拟均相流概念，改进了一个可用于鼓泡床中的均相流湍流粘度分布模型，推导出鼓泡床中的液体循环模型。此模型与实测数据相比较，发现基于改进后的液体粘度分布模型不仅与实测数据吻合很好而且应用范围很广，说明了源自均相管道流的湍流粘度分布模型的变化规律是能够反映鼓泡床中的湍流特征，但其模型不能直接用于鼓泡床的研究中，需要进一步改进。此外，本文还讨论了模型参数的选择规律，研究发现模型参数kR的取值对计算结果影响较大，应该取0.189（低粘性体系）或0.3（高粘性体系）。参数m取决于体系的粘性和流动状态，可取2、4、6、8。参数kL主要取决于鼓泡床的直径大小，床径较大时可取2-2.2，床径较小时可取1-1.2，以更加符合实测数据。
　　 混合长理论是最简单的建立湍流流动模型的方法之一。本文分别通过引入粘性底层的阻尼函数和对湍流粘度进行二阶近似的方法，修正了混合长理论并基于此建立了单相管道流湍流模型。计算结果表明，该模型在描述时均流速分布、湍流粘度分布和壁面摩擦系数方面都与文献报道的实测数据吻合很好，相比经验方程有着更强的理论性和更广的适用范围，有利于对流体湍流流动更深层次的了解和研究。通过对这一思路的验证并针对上述研究结果，本文提出了建立基于改进混合长理论的鼓泡床液体循环模型的方法，并对该课题可能的发展方向进行了展望。