拟二维二级气升式环流反应器的流动与传质性能研究

摘要

气升式环流反应器以鼓泡塔为基础上设计改造的一种多相流反应器，涉及气液、气液固反应。由于其具有结构简单、能耗较低、传质性能好，剪切力低等优点，被广泛应用于石油化工、生物工程、环境工程等场合。虽然环流反应器的结构简单，但是由于涉及多相流，其内部流动和传质特性非常复杂。环流反应器从导流筒结构上可以分为单级和多级环流反应器，单级环流反应器由于下降段气泡较少，所以传质性能较差。多级环流反应器通过导流筒分段，下降段能够进入更多气泡，气液传质性能较单级环流反应器相比有很大提高。 本文设计拟二维气升式环流反应器，利用实验手段考察了表观气速和筛网孔径对环流反应器流体力学和传质性能的影响，主要包括气含率、气泡平均直径、气泡速度和体积氧传质系数。实验结果表明，筛网能够有效地破碎气泡，降低气泡的平均直径，并且使气泡的径向分布和流体流场更加均匀，因此安装筛网对反应器的气含率和传质性能有很大改善作用。筛网孔径较大时，气泡的破碎作用并不明显；当筛网孔径较小时，筛网下方会形成气泡的聚并，存在最优筛网孔径使反应器的流动和传质性能达到最优。通过高速摄像技术对环流反应器内的气泡特性进行考察，发现不同流型下，气泡特性存在很大差异，气泡的聚并和破碎平衡是流动和传质变化的重要原因。 本文利用Fluent15.0对环流反应器的流体力学进行了二维模拟。基于双流模型和Eulerian-Eulerian方法，对气升式环流反应器内部流动状态进行数值模拟，研究了平均气含率随表观气速的变化规律，并与冷模实验得到的数据进行对比，验证模型的准确性，模拟过程中具有较好的数值稳定性。在考察网格无关性后，采用3 mm网格模拟环流反应器的内部流场信息。此外，考察了不同挡板高度下环流反应器的流体力学特性，通过数值模拟为工程设计和放大提供理论指导。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1引言

1.2环流反应器的应用

1.3环流反应器的实验检测方法

1.4 国内外研究现状

1.5 环流反应器的数值模拟研究

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验技术和实验方法

2.1工作内容

2.2实验装置

2.3实验方法

第3章 二级环流反应器的流体力学性能实验研究

3.1研究概况

3.2 气含率

3.3气泡行为

3.4本章小结

第4章 二级环流反应器的传质性能研究

4.1研究概况

4.2体积氧传质系数KLa的分析

4.3气液传质面积a的分析

4.4液相传质系数KL的分析

4.5 体积氧传质系数KLa的经验关联式

4.6本章小结

第5章 二级环流反应器的数值模拟

5.1 研究概况

5.2模型建立与研究方法

5.3结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

主要符号说明

发表论文和参加科研情况说明

致谢