旋转填充床内传质效应及微观混合的CFD模拟研究

摘要

旋转填充床反应器(Rotating Packed Bed，RPB)具有极强的过程强化性能和微观混合性能，由于受到其内部复杂填料结构及观测手段的限制，关于RPB的流体力学特征和混合行为的基础研究相对较少。
　　本文通过对RPB反应器内部填料进行合理简化，建立了三维RPB模型，分别在Design Modeler和Meshing-ICEM内创建几何模型和进行网格划分，采用流体计算软件ANSYSY(FLUENT)对液相在RPB内的流体流动破碎过程和混合过程进行模拟研究。应用Realizable k-ε模型、VOF模型以及Sliding Meshes模型来计算反应器内流体流动和气-液两相边界。三维模拟结果可以清晰地显示液体在整个反应器空间内的分布及存在形态（孔流、液膜流动和液滴）。液体被旋转填充床内填料切割的过程，既有分散的过程，也有聚并的过程。填料转速对液相颗粒大小及存在形态具有明显影响，而进口速度对旋转填充床空腔内的液相颗粒大小影响不大。转速、进液速度的增加和气液接触角的降低有利于提高液体的比表面积，进而有利于传质。液体停留时间随着转速和气液接触角的升高而降低。与二维模拟相比，三维模拟对液滴尺寸、液体速度和停留时间的描述更接近实际情况，模拟的液体尺寸和液体速度值更接近实验值。
　　由于VOF模型受网格大小制约，对于捕捉小尺寸液滴特别是小于最小网格数尺寸的液滴具有一定的缺陷，受计算机计算能力的限制，模拟得到的RPB内子液滴尺寸分布具有一定的误差。本文利用实验和模拟结合的方法，通过实验获得液滴破碎信息，即得到不同尺寸液滴在丝网破碎的可能性、生成子液滴尺寸、撞击位置对破碎的影响、聚集子液滴尺寸信息，把破碎信息编写入Population Balance(PBM)方程中，得到了RPB内更合理的子液滴尺寸分布图。这种方法同时可减小网格数降低计算时间，对于大尺寸反应器的模拟计算具有借鉴作用。
　　另外，基于RPB内流体流动的CFD模型，在稳定流场内添加液-液化学反应，模拟研究RPB的微观混合效率。考察了氢离子转化率、产物(H3BO3)、副产物（I2和I3-）以及离集指数在填料区径向上的浓度分布。模拟结果表明:液-液反应过程和微观混合过程主要是在距进口10毫米以内的区域（端效应区）内进行;各组分在RPB内的分布、反应进程及微观混合细节都能通过模拟结果得到清晰地显示;转速的增加能明显强化RPB内的微观混合效应，这与前人实验结果趋势一致，且离集指数在相同填料径向位置上与实验值相差不大。
　　本文运用CFD理论基础建立了的简化后的RPB模型，模拟研究了RPB内流体的流动、破碎特征以及微观混合效率，这对RPB反应器的操作、放大以及优化都能够提供一定的指导和理论依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 CFD计算流体力学

1．2．1 CFD的基本思想和本质

1．2．2 CFD研究方法的优势

1．2．3 CFD商业应用软件的发展

1．2．4 FLUENT软件

1．2．5 FLUENT的求解流程

1．3 超重力技术的起源和发展

1．3．1 RPB反应器

1．3．2 RPB内流体力学的研究现状

1．3．3 RPB内传质的研究

1．4 关于液滴破碎机理的研究

1．5 微观混合

1．5．1 微观混合研究的发展历程

1．5．2 微观混合的模型

1．5．3 微观混合的研究体系

1．5．4 碘化物-碘酸盐反应体系

1．5．5 RPB内微观混合的研究现状

1．6 目前存在的问题和选题意义

1．7 本论文研究内容

第二章 CFD模拟研究RPB内的流体流动

2．1 引言

2．2 CFD模型的建立思路

2．3 RPB反应器模型简化过程

2．4 CFD控制方程

2．4．1 VOF多相流模型

2．4．2 Realizable k-ε方程

2．4．3 滑移网格模型(Sliding Meshes)

2．5 三维旋转填充床模型的模拟结果

2．5．1 三维旋转填充床模型的网格划分

2．5．2 边界条件

2．5．3 计算方法与步骤

2．6 计算结果与讨论

2．6．1 RPB内的液相分布

2．6．2 RPB内液相破碎的发展图

2．6．3 RPB内液相的特征形态

2．6．4 转速对RPB内液相形态的影响

2．6．5 进口速度对RPB内液相形态的影响

2．7 本章小结

第三章 三维模拟与二维模拟对比

3．1 引言

3．2 CFD控制方程

3．3 边界条件

3．4 模拟结果处理

3．5 模拟计算过程

3．6 计算结果与讨论

3．6．1 RPB内液体颗粒大小

3．6．2 RPB内液相速度

3．6．3 有效填料厚度

3．6．4 RPB空腔内液滴尺寸的分布

3．6．5 RPB内液相比表面积

3．6．6 液体平均停留时间特征曲线

3．6．7 转速对液体平均停留时间的影响

3．6．8 气液接触角的影响

3．7 本章小结

第四章 RPB内液滴破碎机理的研究

4．1 引言

4．2 液滴在丝网上破碎的研究

4．2．1 液滴在丝网上破碎的实验

4．2．2 液滴在丝网上破碎的模拟

4．2．3 结果与讨论

4．3 RPB内液滴尺寸分布研究

4．3．1 群体平衡模型(Population Balance Model)

4．3．2 边界条件

4．3．3 计算步骤

4．3．4 旋转填充床空腔内液滴尺寸分布

4．4 本章小结

第五章 CFD模拟RPB内微观混合

5．1 引言

5．2 Dushman反应体系

5．3 CFD控制方程

5．4 边界条件

5．5 计算步骤

5．6 计算结果与讨论

5．6．1 CFD模拟微观混合模型的确定

5．6．2 反应各组分在RPB内的浓度分布图

5．6．3 二维模拟RPB内微观混合效率

5．6．4 RPB的微观混合时间

5．7 本章小结

第六章 结论

6．1 本文的主要结论

6．2 本文的创新点

6．3 对下一步工作的建议

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

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