基于CFD悬浮床加氢工艺的环流反应器放大规律研究

摘要

本文借助CFD技术，利用欧拉-欧拉双流体方法，针对用于悬浮床加氢的体积为0.0785m3的气升式环流反应器，进行了相间作用力模型、气泡尺寸、静液面高度以及流体物性对反应器内流体流动的影响规律的研究，通过与实验数据的对比以及反应器内部的详细分析，建立了基于Tomiyama曳力模型的PBM-CFD耦合计算模型，气含率和环流液速的计算偏差减小到10%以下，与实验数据能够较好吻合，同时使得CFD计算的局部流场信息和PBM计算的气泡大小分布分别得到优化，能够更加准确描述气升式环流反应器内部复杂流动。 基于已建立的PBM-CFD耦合流体动力学模型，按照原料油处理量分别100吨/年、1000吨/年、10万吨/年、50万吨/年和100万吨/年，相对应体积分别为0.0095m3、0.00785m3、23.03m3、109.42m3和208.42m3的气升式环流反应器，研究导流筒直径与反应器直径比值、导流筒高度与反应器高度比值、导流筒安装高度与导流筒直径比值、喷嘴夹角和导流筒分段对流动的放大规律。模拟计算发现：在研究的范围内，随着反应器体积的变大，当反应器内气含率最高时，导流筒高径比值从6增加到8，而导流筒安装高度与导流筒直径比值保持在0.6左右；当反应器内环流液速最大时，导流筒高径比值从7.5增加到10.5，而导流筒安装高度与导流筒直径比值从0.8减小到0.6。同时，随着喷嘴夹角从30°增大到90°，反应器内气含率呈现缓慢增长趋势，而环流液速呈现逐渐下降趋势；相比于单段导流筒，带有分段导流筒的体积为0.0785m3气升式环流反应器内气含率增加10%，环流液速增加3%，并且随着反应器体积变大，两段导流筒对反应器内气含率和环流液速影响效果增加到15%。因此对于大体积气升式环流反应器设计时，建议喷嘴夹角设计在45°~60°范围内视情况而定，同时将导流筒分成两段，分段位置位于中心位置靠下区域内。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 气升式环流反应器

1.2.1 气升式环流反应器类型和特征参数

1.2.2 气升式环流反应器流动和传质的实验研究

1.2.3 气升式环流反应器流动和传质的数值模拟研究

1.3 计算流体动力学（CFD）

1.3.1 计算流体动力学(CFD)模拟简介

1.3.2 多相流计算模型的研究进展

1.3.3 CFD模拟气升环流反应器存在的问题及今后研究方向

1.4 化工放大技术

1.4.1 研究反应器放大的方法

1.4.2 CFD技术研究反应器放大规律的发展前景

1.5 本课题研究内容和目的

第二章 气液环流反应器流体动力学计算模型的建立

2.1 气升式环流反应器内气液两相数值模拟

2.1.1流体力学基本方程

2.1.2 湍流计算模型

2.1.3 相间作用力计算模型

2.1.4 数值求解方法

2.2 反应器物理模型建立与研究方法

2.2.1 研究对象确定与网格划分

2.2.2 边界条件和初始化设置及数据提取

2.2.3 网格无关性研究

2.2.4 表观气速对气含率和环流液速的影响

2.3 静液面高度对对气升式环流反应器流动特性影响

2.4 曳力模型对气升式环流反应器反应器流动特性影响

2.5 曳力模型与PBM模型耦合对气升式环流反应器流动特性影响

2.6 物性参数对气升式环流反应器流动特性影响

2.6.1 液相密度对流动的影响

2.6.2 液相粘度对流动的影响

2.7 本章小结

第三章 气升式环流反应器放大规律的研究

3.1 气升式环流反应器物理模型的选取与物性参数的建立

3.2 气升式环流反应器内导流筒直径对流动的影响规律

3.2.1 导流筒直径对流动影响规律的研究

3.2.2 导流筒直径与反应器直径比值对反应器的放大规律

3.3 气升式环流反应器内导流筒高度对流动的影响规律

3.3.1 导流筒高度对流动影响规律的研究

3.3.2 导流筒高度与反应器高度比值对反应器的放大规律

3.4 气升式环流反应器内导流筒安装高度对流动的影响规律

3.4.1 导流筒安装高度对流动影响规律的研究

3.4.2 导流筒安装高度与导流筒直径比值对反应器的放大规律

3.5 气升式环流反应器内喷嘴夹角对流动的影响规律

3.5.1 喷嘴夹角对流动影响规律的研究

3.5.2 喷嘴夹角对反应器的放大规律

3.6 分段导流筒对流动的影响规律

3.6.1 表观气速对分段导流筒的反应器内流体流动的影响规律

3.6.2 导流筒分段位置对流动影响规律的研究

3.6.3 导流筒分段对反应器的放大规律研究

3.7 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢