列管型鼓泡塔中流動(dòng)發(fā)展規(guī)律的研究.pdf

1、鼓泡塔反應(yīng)器是一種氣-液或氣-液-固多相接觸與反應(yīng)裝置，在多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。大型液相費(fèi)托合成反應(yīng)器內(nèi)部安裝有密集的換熱列管束，這種情況下的多相流動(dòng)規(guī)律還少有研究。鼓泡塔內(nèi)流動(dòng)沿塔高的發(fā)展規(guī)律及流動(dòng)區(qū)域的劃分是流體力學(xué)研究和反應(yīng)器開發(fā)的基本問題，在列管束存在的情況下目前還沒有得到清楚的認(rèn)識。現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于鼓泡塔流動(dòng)發(fā)展的研究大多針對小塔徑(＜0.5 m)以及無內(nèi)構(gòu)件的情況。對于含有密集列管束鼓泡塔的實(shí)驗(yàn)研究大都集中在充分發(fā)展區(qū)的流動(dòng)狀態(tài)

2、，沒有考慮流動(dòng)沿塔高的發(fā)展和流動(dòng)區(qū)域的劃分問題，而該問題對于反應(yīng)器的放大和分布器的開發(fā)具有至關(guān)重要的影響。有鑒于此，本文針對大型鼓泡塔特別是含密集列管束的鼓泡塔流動(dòng)的發(fā)展問題展開實(shí)驗(yàn)與計(jì)算模擬研究，考察塔徑、列管密度、空塔氣速對流動(dòng)發(fā)展和流動(dòng)參數(shù)分布的影響規(guī)律，給出流動(dòng)區(qū)域或流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的判據(jù)，為工業(yè)放大設(shè)計(jì)和內(nèi)構(gòu)件開發(fā)提供依據(jù)。論文主要包括以下幾個(gè)方面:
　　1.無列管的湍動(dòng)鼓泡塔中流動(dòng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究和CFD模擬使用電導(dǎo)

3、探針和Pavlov管在兩套不同直徑（(φ)500、(φ)800 mm）鼓泡塔冷模實(shí)驗(yàn)裝置中，在表觀氣速0.12～0.62 m/s條件下，實(shí)驗(yàn)測量了不同塔高位置的時(shí)均液速、局部氣含率和三維均方根脈動(dòng)速度的徑向分布。實(shí)驗(yàn)表明在不合內(nèi)構(gòu)件的空塔中流動(dòng)沿塔高發(fā)展較快，分布器影響區(qū)的大小隨表觀氣速變化不大，隨塔徑增大略有增加。(φ)500塔中分布器影響區(qū)范圍在2.5倍塔徑以內(nèi)，(φ)800塔中為3倍塔徑左右。采用二維徑向力平衡模型能準(zhǔn)確描述鼓泡塔

4、內(nèi)充分發(fā)展區(qū)的流動(dòng)，計(jì)算給出的液體速度、氣含率及湍流動(dòng)能分布與各種條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，模型能夠用于空塔情況下的流體力學(xué)放大預(yù)測。
　　2.(φ)500列管塔中流動(dòng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究與CFD模擬在(φ)500鼓泡塔內(nèi)測定了不同列管密度和表觀氣速條件下不同塔高位置的時(shí)均液速、局部氣含率和均方根脈動(dòng)速度的徑向分布。實(shí)驗(yàn)表明，列管內(nèi)構(gòu)件對塔內(nèi)流動(dòng)存在兩方面的影響:一方面，列管的加入將抑制流動(dòng)沿塔高的發(fā)展過程，使得分布器影響區(qū)延長，其范圍

5、由空塔的2.5倍塔徑以內(nèi)增大到列管塔4倍塔徑以上;另一方面，列管束的存在使得充分發(fā)展區(qū)的液速和氣含率徑向分布趨于陡峭，塔中心的液速和氣含率隨列管密度和表觀氣速的增加而顯著增大，形成所謂的“煙囪效應(yīng)”。產(chǎn)生上述效應(yīng)的力學(xué)機(jī)理，是列管對氣泡運(yùn)動(dòng)和湍流脈動(dòng)的橫向阻礙作用。在徑向力平衡模型中分別考慮列管對氣泡群的壁面力和對液相脈動(dòng)的阻力，就能夠描述列管塔中的流動(dòng)規(guī)律，模型計(jì)算給出的分布器影響區(qū)和充分發(fā)展區(qū)中的流動(dòng)參數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

6、　　3.(φ)800列管塔中流動(dòng)參數(shù)分布的實(shí)驗(yàn)研究在安裝了列管的(φ)800鼓泡塔內(nèi)，測定了時(shí)均速度、脈動(dòng)速度、氣含率的徑向和軸向分布，考察了塔徑、列管密度、列管管徑、表觀氣速、布?xì)夥绞降纫蛩貙α鲃?dòng)參數(shù)分布的影響。實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)，(φ)800列管塔中的流動(dòng)規(guī)律與(φ)500列管塔有很大的甚至是根本性的不同。在塔中的主要區(qū)域（Z=2.2m處），(φ)500列管塔中液速與氣含率的徑向分布都比空塔時(shí)更為陡峭，而(φ)800列管塔則完全相反，在同

7、樣的高密度列管和均勻布?xì)獾那闆r下，液速與氣含率徑向分布十分平坦，呈現(xiàn)出環(huán)隙高、中心與邊壁低的馬鞍形分布，其中心液速與氣含率遠(yuǎn)低于空塔的情況，且隨列管密度和氣速的增大而降低。實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生上述異常流動(dòng)現(xiàn)象的原因，可以用兩種塔中流動(dòng)發(fā)展的狀態(tài)不同來解釋。(φ)500列管塔中流動(dòng)處于充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，存在著一個(gè)充分發(fā)展區(qū)，分布器的影響仍限于塔內(nèi)的局部范圍;而(φ)800列管塔中的流動(dòng)處于未發(fā)展（高列管密度下）或部分發(fā)展（中低列管密度下）的狀態(tài)，在

8、實(shí)驗(yàn)的高徑比條件下不存在充分發(fā)展區(qū)，分布器影響區(qū)貫穿全塔，塔內(nèi)占優(yōu)勢的流動(dòng)是分布器影響下的流動(dòng)，其特征是速度與氣含率的徑向分布嚴(yán)重依賴于分布器產(chǎn)生的初始分布狀態(tài)，流動(dòng)呈現(xiàn)出不對稱的馬鞍形速度分布，具有不穩(wěn)定和無序的特點(diǎn)。
　　4.鼓泡塔分布器影響區(qū)大小的估算模型提出了一種簡單的計(jì)算模型用于估算不同條件下包括含有豎直列管內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔分布器影響區(qū)長度，其思想是類比圓管單相流入口段長度計(jì)算的準(zhǔn)數(shù)模型，引入“湍動(dòng)雷諾數(shù)”的概念，采用湍流