基于实验和仿真的搅拌反应器气液流动特性研究

摘要

反应器是过程工业中最常见的主要化工单元操作设备之一，其中搅拌反应器广泛应用于化工、生物、制药等行业，搅拌式反应器主要包括釜体、搅拌器、驱动系统、换热器、控制系统等部分，内部有搅拌器、换热盘管、挡板、气体分布器等结构，工作介质主要包括气、液、固三相。搅拌反应器内的流场流动特性和多相分布特性是影响搅拌和化学反应的主要因素。
　　本文基于CFD数值模拟和流场测试技术，针对六斜叶开启涡轮式搅拌器(XK)、斜叶圆盘涡轮式搅拌器(ZY)和四宽叶可拆板式螺旋桨(KSX)三种搅拌器，对其搅拌特性进行了CFD数值模拟和实验分析。另外，针对一种工业用气液两相多层搅拌式反应器，对其内部流场和气液分散特性进行了数值模拟。由于该反应器结构较复杂，网格划分采用六面体和四面体网格相结合的混合网格，选择Realizable k-ε湍流模型，气液两相流采用VOF模型和Euler-Euler双流体模型，动静区域的处理采用滑移网格法(SM)，求解瞬态下的搅拌流场。
　　对XK、ZY两种涡轮搅拌器和KSX四宽叶旋桨搅拌器，在与CFD分析相同的条件下，分别完成了搅拌实验。所得到的速度场、压力场等流场分布特性，最终得到与CFD分析相符的结论:三种桨型均为轴流桨，且ZY桨的轴流现象最为明显;搅拌混合的剧烈程度以XK桨最为剧烈，液面出现轻微的下凹漩涡现象;搅拌轴输出扭矩大小以XK桨为最大，ZY桨次之，KSX桨最小。另外，对一种工业用气液两相多层搅拌式反应器进行CFD分析，得到其速度场、压力场等流场分布以及气液两相的分布状态，并总结得到相应的规律。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及意义

1．2 通气搅拌式反应器的国内外研究现状

1．3 CFD理论的介绍及CFD软件的应用

1．4 课题主要研究内容及创新点

2 反应器流体动力学特性仿真

2．1 数值模拟研究方法

2．2 计算结果分析

2．3 本章小结

3 典型单层搅拌桨流体动力学特性的实验分析

3．1 搅拌反应器实验设备简介

3．2 反应器流场测量原理与方法

3．3 实验结果分析

3．4 本章小结

4 单层桨搅拌反应器流体动力学数值模拟

4．1 数值模拟方案

4．2 数值模拟结果及分析

4．3 本章小结

5 某型号气液两相多层搅拌式反应器的数值模拟

5．1 模拟对象

5．2 模拟方案

5．3 数值模拟结果及分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况