新型反应器内气液流动与传质的三维CFD模拟

摘要

与传统的化工设备相比，新型的过程强化设备如微反应器、超重力反应器等因其节能降耗等显著特征引起学术研究和工业应用领域的极大关注。由于内部结构的复杂及流体流动多变，强化设备内基础研究相对匮乏。本文在前人成果的基础上，以金属套管式微反应器(MTMCR)和旋转填充床(RPB)为研究对象，建立了反应器内气液流动与传质的三维CFD模型，并采用高速摄像机获得MTMCR中气液流动形态，研究了操作条件和结构参数对气液流动与传质过程的影响规律，为拓展反应器的工业应用提供理论依据。主要研究成果如下:
　　(1)建立套管式微反应器内气液流动的三维CFD模型。结果表明，在套管反应器内气液呈现三种流动形态:液滴流、长液滴流和搅动流;当气体雷诺数超过154，气液比超过11时，流动形态呈现液滴流和长液滴流。
　　(2)在套管式微反应器内气液流动CFD模拟的基础上通过添加组分守恒方程和UDF编写传质通量源项，建立了套管式反应器内水吸收CO2传质过程的三维CFD模型。结果表明，CO2饱和率模拟值与公开文献中的实验结果误差范围在±10％;随气量增加，液相传质系数及体积传质系数、液相中CO2的饱和率都增大;随着液量增大，液相传质系数及体积传质系数也增大，但液相CO2的饱和率减小。
　　(3)建立了旋转填充床单气相和气液两相的三维CFD模型，结果表明，壁面旋转的计算方法比区域旋转更接近转子区的真实情况，RPB内压降模拟值与实验结果的误差在±10％。随着气体流量的增大，压降逐渐增大，内外空腔的湍动能较小幅度增大;随着转速的增大，内外空腔的压降较小幅度增大，转子区的湍动能增大;在相同气量和转速下，湿床压降高于干床压降。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 气液接触过程

1．2．1 气液流动的研究

1．2．2 气液传质理论

1．3 计算流体力学简介

1．3．1 计算流体力学的求解过程

1．3．2 守恒方程

1．3．3 湍动模型简介

1．3．4 多相流模型简介

1．4 微反应器

1．4．1 微反应器的特点

1．4．2 微反应器内气液流体力学特征

1．4．3 微反应器中气液传质

1．5 旋转填充床

1．5．1 旋转填充床的特点

1．5．2 旋转填充床内流体力学特征

1．6 本文研究的目的与主要内容

第二章 金属套管式微反应器内气液流动三维CFD模拟

2．1 引言

2．2 可视化实验

2．3 CFD模型建立

2．3．1 物理模型与网格划分

2．3．2 数学模型

2．3．3 CLSVOF模型

2．3．4 多孔介质模型

2．3．5 边界条件及求解方法

2．3．6 网格无关性验证

2．4 结果分析与讨论

2．4．1 模型验证

2．4．2 套管内气液流场分析

2．4．3 气液流量的影响

2．4．4 环隙微通道宽度的影响

2．4．5 微孔孔径的影响

2．5 本章小结

第三章 套管微反应器内气液传质的三维CFD模拟

3．1 引言

3．2 CFD模型建立

3．2．1 近界面的传质模型

3．2．2 控制方程

3．2．4 边界条件及求解方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 模型验证

3．3．2 流场分析

3．3．3 气液流量的影响

3．4 本章小结

第四章 旋转填充床内气液流动的三维CFD模拟

4．1 引言

4．2 三维CFD模型

4．2．1 几何结构及网格划分

4．2．2 数学模型

4．2．3 边界条件及求解方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 旋转填充床内气相流场分析

4．3．2 气量的影响

4．3．3 转速的影响

4．3．4 旋转填充床内气液逆流的流场分析

4．4 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

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