湍動鼓泡塔充分發(fā)展段的流體力學與內(nèi)構(gòu)件技術(shù)研究.pdf

1、鼓泡塔反應器是一種工業(yè)中廣泛應用的氣-液兩相和氣-液-固三相接觸與反應裝置。目前鼓泡塔或漿態(tài)床反應器大型化已成為煤化工與石油天然氣化工的發(fā)展趨勢，相關的放大問題和過程強化問題取決于對塔內(nèi)流體力學規(guī)律的了解與把握。現(xiàn)有文獻中有關鼓泡塔的流體力學研究大多數(shù)集中在低氣速(0.03～0.12m/s)、小塔徑(＜0.5m)、以及無內(nèi)構(gòu)件的情況，針對高氣速、較大塔徑、特別是含密集內(nèi)構(gòu)件條件下的湍動鼓泡流情況還研究得很不充分。有鑒于此，本論文針對湍動

2、鼓泡塔充分發(fā)展段的流體力學及內(nèi)構(gòu)件技術(shù)展開研究，采用冷模實驗測量與計算流體力學(CFD)模擬兩種方法系統(tǒng)地考察空塔與含密集內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔流體力學規(guī)律，建立各種情況下的鼓泡塔流體力學模型，用于鼓泡反應器的模擬、放大與內(nèi)構(gòu)件技術(shù)開發(fā)。論文主要包括以下幾個方面：
　　 1．湍動鼓泡塔流體力學參數(shù)的實驗測量：使用自制電導探針、Pavlov管和徑向測速管在三種不同直徑(186、476、760mm)的鼓泡塔冷模實驗裝置內(nèi)，實驗測定了高空塔氣

3、速(0.12～0.62m/s)、高固含率（體積分率10～30％）條件下的平均氣含率、鼓泡塔充分發(fā)展段的局部氣含率、軸向液速、三維脈動均方根速度和湍流動能的徑向分布，并考察了不同因素對上述分布的影響規(guī)律。
　　 2．湍動鼓泡塔充分發(fā)展段的一維流體力學模型：根據(jù)氣液間的橫向升力和湍流擴散力的徑向平衡機制建立了描述鼓泡塔或漿態(tài)床氣含率分布的本構(gòu)關系，提出了針對無內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔充分發(fā)展段的一維擬均相k-ε模型。模型計算得到的在不同塔徑、

4、空塔氣速和固含率條件下的氣含率、軸向液速和湍流動能分布與實驗測量結(jié)果符合良好。應用該模型對無內(nèi)構(gòu)件的空塔進行了流體力學放大預測。
　　 3．鼓泡塔縱向列管內(nèi)構(gòu)件流動規(guī)律的實驗研究：在(Φ)476鼓泡塔內(nèi)測定了不同列管密度和空塔氣速下的氣含率與液速徑向分布、湍流脈動速度與動能分布。實驗揭示列管束的加入顯著提高了液相或漿料相的循環(huán)速度，速度梯度隨著列管布置密度的增大而增加，氣含率分布也呈現(xiàn)明顯的陡峭化趨勢，該現(xiàn)象稱為“煙囪效應”。實

5、驗考察了氣速和列管束密度對流動參數(shù)分布的的定量影響，從流動機理方面對“煙囪效應”進行了分析，澄清了文獻中對這一問題的不同認識。
　　 4．含列管內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔流體力學模型：在實驗研究基礎上對帶列管柬的鼓泡塔進行了流體力學建模，將密集列管內(nèi)構(gòu)件的作用考慮為連續(xù)分布的動量源、動能源、耗散源，摒棄了現(xiàn)有的CFD模型將列管壁面考慮為復雜幾何邊界的做法，根據(jù)力學原理給出了列管束各體積源項的本構(gòu)關系，添加到一維湍流k-ε方程之中。模型計算的

6、氣含率分布、液速分布、湍動動能分布在寬泛的條件下與實驗測量值符合良好，能夠定量描述“煙囪效應”以及內(nèi)構(gòu)件參數(shù)對流動的影響。采用該模型對漿態(tài)床費托合成反應器進行了流體力學放大預測。
　　 5．帶阻尼內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔流體力學研究：實驗考察了多層阻尼網(wǎng)格、網(wǎng)格+列管、針翅列管三種內(nèi)構(gòu)件對鼓泡塔氣含率和軸向液速分布的影響。實驗表明：阻尼內(nèi)構(gòu)件的加入可有效改善塔內(nèi)液速分布，提高平均氣含率，抑制列管束“煙囪效應”，減小塔內(nèi)返混，其中針翅列管還

7、可強化傳熱，是一種多功能內(nèi)構(gòu)件。根據(jù)阻尼內(nèi)構(gòu)件對流體作用力的分析，建立了描述該型內(nèi)構(gòu)件影響的鼓泡塔流體力學模型。
　　 6．鼓泡塔傳熱規(guī)律研究：使用自制傳熱探頭測定了(Φ)476鼓泡塔內(nèi)，列管內(nèi)構(gòu)件與針翅內(nèi)構(gòu)件的傳熱系數(shù)徑向分布。實驗表明，列管傳熱系數(shù)隨表觀氣速的增加而增大，且沿徑向呈拋物型分布，豎直列管內(nèi)構(gòu)件的加入使得傳熱系數(shù)的徑向分布更不均勻；針翅管可有效強化傳熱，與光滑列管相比，傳熱系數(shù)提高了20%以上?；诒砻娓吕碚摚?/p>