氣升式環(huán)流反應器

1、氣升式環(huán)流反應器內(nèi)氣液兩相流動計算流體力學的模擬姓名：承豪姓名：承豪專業(yè)：生物化工專業(yè)：生物化工學號：學號：642081703002642081703002目錄氣升式環(huán)流反應器的幾何結(jié)構(gòu)氣升式環(huán)流反應器的幾何結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果及討論模擬結(jié)果及討論數(shù)值模擬過程數(shù)值模擬過程結(jié)論結(jié)論氣升式環(huán)流反應器區(qū)別于普通鼓泡床反應器氣升式環(huán)流反應器區(qū)別于普通鼓泡床反應器的關鍵在于其內(nèi)部有一個導流筒，氣相從導的關鍵在于其內(nèi)部有一個導流筒，氣相從導流筒上升或從導流筒外的環(huán)隙上升，由此產(chǎn)流筒上升或從導流筒外的環(huán)隙上升，由此產(chǎn)生的導流筒內(nèi)外的密度差驅(qū)動物料在反應器生的導流筒內(nèi)外的密度差驅(qū)動物料在反應器內(nèi)進行循環(huán)，從而實現(xiàn)氣液

2、混合和必要的停內(nèi)進行循環(huán)，從而實現(xiàn)氣液混合和必要的停留時間。留時間。這個反應器具備了氣升式這個反應器具備了氣升式反應器的基本特征反應器的基本特征 反反應器外筒、導流筒以及氣應器外筒、導流筒以及氣體分布器，反應器內(nèi)充滿體分布器，反應器內(nèi)充滿常溫液體水，氣相從反應常溫液體水，氣相從反應器底部的環(huán)形入口進入反器底部的環(huán)形入口進入反應器，沿導流筒外的環(huán)隙應器，沿導流筒外的環(huán)隙空間空間(上升段上升段)上升。反應上升。反應器結(jié)構(gòu)如圖所示。器結(jié)構(gòu)如圖所示。數(shù)值模擬過程數(shù)值模擬過程模擬過程參數(shù)的設定模擬過程參數(shù)的設定歐拉一歐拉模型歐拉一歐拉模型歐拉模型方程組歐拉模型方程組歐拉一歐拉模歐拉一歐拉模型目前使用較多

3、的兩流體模型是將每一種流體都看作是充滿整目前使用較多的兩流體模型是將每一種流體都看作是充滿整個流場的連續(xù)介質(zhì)，針對兩相分別寫出質(zhì)量、動量和能量守個流場的連續(xù)介質(zhì)，針對兩相分別寫出質(zhì)量、動量和能量守恒方程，通過相界面間的相互作用恒方程，通過相界面間的相互作用(動量、能量和質(zhì)量的交換動量、能量和質(zhì)量的交換)將兩組方程耦合在一起。針對每一相可以用歐拉方法或拉格將兩組方程耦合在一起。針對每一相可以用歐拉方法或拉格朗日方法描述，而采用基于兩相均使用歐拉方法描述的便是朗日方法描述，而采用基于兩相均使用歐拉方法描述的便是歐拉一歐拉模型。該模型對每相求解一組運動方程和連續(xù)性歐拉一歐拉模型。該模型對每相求解一組

4、運動方程和連續(xù)性方程，通過壓力和相間交換系數(shù)進行耦合，耦合結(jié)果取決于方程，通過壓力和相間交換系數(shù)進行耦合，耦合結(jié)果取決于所涉及的相的類型。當體系是氣泡與液相所涉及的相的類型。當體系是氣泡與液相(水水)時，方程之間時，方程之間的耦合通過氣泡和水之間的相互作用規(guī)律進行。的耦合通過氣泡和水之間的相互作用規(guī)律進行。歐拉模型方程組歐拉模型方程組基于以上假設的歐拉模型方程組如下：連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：n為分散相的個數(shù)，本文研究的體系僅有一個分散相(氣相)，所以，n=1；下標k分別代表氣相(g)和液相(l)，本文不考慮氣液之間的傳質(zhì)，所以 。0mn1ppk動量守恒方程：動量守恒方程：模擬過程參數(shù)的設定使用

5、FLUENT60中的前處理軟件Gambit用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對反應器的物理模型進行了網(wǎng)格分割，基本尺寸為5 mm 時的網(wǎng)格劃分圖如下圖。u算法：使用非耦合的求解器算法：使用非耦合的求解器(segregated solver)進行進行非穩(wěn)態(tài)計算，當非穩(wěn)態(tài)計算，當模擬收斂且結(jié)果不再隨時間變化時，說模擬收斂且結(jié)果不再隨時間變化時，說明已達到穩(wěn)態(tài)，即通過非穩(wěn)態(tài)計算得到穩(wěn)態(tài)結(jié)果，對上明已達到穩(wěn)態(tài)，即通過非穩(wěn)態(tài)計算得到穩(wěn)態(tài)結(jié)果，對上述模型的模擬發(fā)現(xiàn)時間述模型的模擬發(fā)現(xiàn)時間t=1180 S后，模擬結(jié)果隨時間不再后，模擬結(jié)果隨時間不再變化。變化。u邊界條件：氣相進口為速度進口，反應器上部液面設邊界條件：氣相進口為

6、速度進口，反應器上部液面設為壓力出口，反應器器壁及導流筒器壁均設為非滑移壁為壓力出口，反應器器壁及導流筒器壁均設為非滑移壁面。面。u初始條件：由于液相初始狀態(tài)為靜止狀態(tài)，故其初始初始條件：由于液相初始狀態(tài)為靜止狀態(tài)，故其初始速度設為速度設為0，氣相初始條件為環(huán)隙內(nèi)的表觀氣速，其值分，氣相初始條件為環(huán)隙內(nèi)的表觀氣速，其值分別為別為0.0191、0.0250、0.0315、0.0380、0.0440 ms。結(jié)果與討論結(jié)果與討論氣相表觀速度對液相循環(huán)速度和氣含率的影響氣相表觀速度對液相循環(huán)速度和氣含率的影響導流筒結(jié)構(gòu)對氣升式環(huán)流反應器內(nèi)兩相流動的影響導流筒結(jié)構(gòu)對氣升式環(huán)流反應器內(nèi)兩相流動的影響網(wǎng)格劃

7、分水平對模擬結(jié)果的影響網(wǎng)格劃分水平對模擬結(jié)果的影響u網(wǎng)格劃分水平對模擬結(jié)果的影響對反應器模型進行了由粗到細對反應器模型進行了由粗到細5 5種水平的網(wǎng)格劃分，如下表所示。種水平的網(wǎng)格劃分，如下表所示。由上圖可知，網(wǎng)格水平由上圖可知，網(wǎng)格水平4下的模擬結(jié)果與水平下的模擬結(jié)果與水平5下的結(jié)果很接下的結(jié)果很接近，即當網(wǎng)格劃分達到水平近，即當網(wǎng)格劃分達到水平4時，模擬結(jié)果不再隨網(wǎng)格的細化時，模擬結(jié)果不再隨網(wǎng)格的細化而變化，說明這時候的模擬結(jié)果可看作網(wǎng)格獨立的解。故后而變化，說明這時候的模擬結(jié)果可看作網(wǎng)格獨立的解。故后續(xù)模擬都是在網(wǎng)格水平續(xù)模擬都是在網(wǎng)格水平4下進行的。下進行的。u氣相表觀速度對液相循環(huán)速

8、度和氣含率的影響氣相表觀速度對液相循環(huán)速度和氣含率的影響氣相作為液氣相作為液相循環(huán)的推相循環(huán)的推動力來源，動力來源，對液相循環(huán)對液相循環(huán)速度和氣含速度和氣含率會產(chǎn)生顯率會產(chǎn)生顯著的影響，著的影響，結(jié)果如圖所結(jié)果如圖所示。示。由圖可知，環(huán)隙中液相表觀速度開始隨著氣相入口速度的增大而增大，由圖可知，環(huán)隙中液相表觀速度開始隨著氣相入口速度的增大而增大，因為氣量增大，導流筒內(nèi)外的壓力差亦增大，所以液相循環(huán)速度也增因為氣量增大，導流筒內(nèi)外的壓力差亦增大，所以液相循環(huán)速度也增大。隨著氣量繼續(xù)增大，液相循環(huán)速度增大趨緩，這是因為液相速度大。隨著氣量繼續(xù)增大，液相循環(huán)速度增大趨緩，這是因為液相速度增大引起流動

9、阻力增大，最終液相速度達到一個穩(wěn)定值。增大引起流動阻力增大，最終液相速度達到一個穩(wěn)定值。同時，導流筒內(nèi)外同時，導流筒內(nèi)外(上升段上升段)的氣含率隨著氣相表觀氣速的增大而增大，液的氣含率隨著氣相表觀氣速的增大而增大，液相循環(huán)速度的增大和上升段氣含率增大，都會使氣泡被液相夾帶進入導流相循環(huán)速度的增大和上升段氣含率增大，都會使氣泡被液相夾帶進入導流筒的量加大。根據(jù)導流筒外的氣相表觀速度筒的量加大。根據(jù)導流筒外的氣相表觀速度UGR和導流筒外的液相表觀速和導流筒外的液相表觀速度度ULR，分別由，分別由Hills和沈自求的關于上升段氣含率和沈自求的關于上升段氣含率R與上升段表觀氣速和與上升段表觀氣速和表觀

10、液速之間的關系，計算得到上升段氣含率值。表觀液速之間的關系，計算得到上升段氣含率值。CFD 的模擬值和經(jīng)驗的模擬值和經(jīng)驗關系式的計算值均示于下圖中。關系式的計算值均示于下圖中。由圖可以看到，上升段氣含率由圖可以看到，上升段氣含率R的的CFD模擬值與沈自求關系式以及模擬值與沈自求關系式以及Hills關系式的計算值非常接近，也即操作表觀氣速關系式的計算值非常接近，也即操作表觀氣速 。 和和CFD模擬模擬得到的液相循環(huán)速度得到的液相循環(huán)速度 和氣含率很好地符合了這兩種經(jīng)驗關系式，和氣含率很好地符合了這兩種經(jīng)驗關系式，這驗證了所使用的這驗證了所使用的CFD模型具有很好的可靠性。模型具有很好的可靠性。u

11、導流筒結(jié)構(gòu)對氣升式環(huán)流反應器內(nèi)兩相流動的影響導流筒直徑和導流筒位置高度對液相循環(huán)速度和氣含率都會產(chǎn)生影響。導流筒直徑和導流筒位置高度對液相循環(huán)速度和氣含率都會產(chǎn)生影響。此圖說明導此圖說明導流筒直徑的流筒直徑的增大并不能增大并不能使液相循環(huán)使液相循環(huán)量無限增大。量無限增大。由圖可以看出，由圖可以看出，導流簡直徑增導流簡直徑增大，上升段的大，上升段的氣含率隨著導氣含率隨著導流簡直徑的增流簡直徑的增大而增大。導大而增大。導流筒內(nèi)的氣含流筒內(nèi)的氣含率很小，隨著率很小，隨著導流簡直徑的導流簡直徑的增大略有增大。增大略有增大。導流筒距離反應器底部位導流筒距離反應器底部位置升高，液相循環(huán)速增大。置升高，液相

12、循環(huán)速增大。當然，導流筒頂端不能超當然，導流筒頂端不能超過反應器液面，否則就無過反應器液面，否則就無法形成有效的環(huán)流。法形成有效的環(huán)流。上升段氣含率隨著導流筒上升段氣含率隨著導流筒高度的增高而降低。導流高度的增高而降低。導流筒內(nèi)氣含率接近于零，并筒內(nèi)氣含率接近于零，并無顯著變化，說明該條件無顯著變化，說明該條件下，氣泡被夾帶進入導流下，氣泡被夾帶進入導流筒的量很小。筒的量很小。(1)用兩流體模型的模擬方法對氣升式反應器內(nèi)用兩流體模型的模擬方法對氣升式反應器內(nèi)部氣液兩相流場進行了有效的預測，得出的反部氣液兩相流場進行了有效的預測，得出的反應器設計放大中的關鍵參數(shù)應器設計放大中的關鍵參數(shù)液相循環(huán)速度、液相循環(huán)速度、氣含率符合經(jīng)典的經(jīng)驗關系式，說明該氣含率符合經(jīng)典的經(jīng)驗關系式，說明該CFD模模型對反應器內(nèi)部氣液兩相的流動特征的認識是型對反應器內(nèi)部氣液兩相的流動特征的認識是正確的。正確的。(2)導流簡直徑和導流筒在氣升式反應器