【摘要】：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(kāi)發(fā)的基本問(wèn)題,在列管束存在的情況下目前還沒(méi)有得到清楚的認(rèn)識(shí)�，F(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(duì)小塔徑(0.5 m)以及無(wú)內(nèi)構(gòu)件的情況。對(duì)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),沒(méi)有考慮流動(dòng)沿塔高的發(fā)展和流動(dòng)區(qū)域的劃分問(wèn)題,而該問(wèn)題對(duì)于反應(yīng)器的放大和分布器的開(kāi)發(fā)具有至關(guān)重要的影響。有鑒于此,本文針對(duì)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(wèn)題展開(kāi)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(duì)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(kāi)發(fā)提供依據(jù)。論文主要包括以下幾個(gè)方面：1.無(wú)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)探針和Pavlov管在兩套不同直徑(Φ500、Φ800 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(cè)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)表明在不含內(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。0500塔中分布器影響區(qū)范圍在2.5倍塔徑以內(nèi),0800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(cè)。2.0500列管塔中流動(dòng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究與CFD模擬在0500鼓泡塔內(nèi)測(cè)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(duì)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(guò)程,使得分布器影響區(qū)延長(zhǎng),其范圍由空塔的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(duì)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(duì)氣泡群的壁面力和對(duì)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。3.?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0800鼓泡塔內(nèi),測(cè)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?duì)流動(dòng)參數(shù)分布的影響。實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn),0800列管塔中的流動(dòng)規(guī)律與?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),?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0800列管塔則完全相反,在同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(lái)解釋。?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?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(shì)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(duì)稱的馬鞍形速度分布,具有不穩(wěn)定和無(wú)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(jiǎn)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(zhǎng)度,其思想是類比圓管單相流入口段長(zhǎng)度計(jì)算的準(zhǔn)數(shù)模型,引入“湍動(dòng)雷諾數(shù)”的概念,采用湍流粘度和氣體滑移速度來(lái)估算該雷諾數(shù),然后將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的分布器影響區(qū)長(zhǎng)度與湍動(dòng)雷諾數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。湍流粘度則采用充分發(fā)展區(qū)的CFD模型進(jìn)行計(jì)算并歸納為氣速、塔徑、列管密度的簡(jiǎn)單關(guān)系式。本文給出的分布器影響區(qū)長(zhǎng)度估算式基于?800與?500空塔與列管塔的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和充分發(fā)展區(qū)的CFD模型,計(jì)算給出的分布器影響區(qū)長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)值偏差在1倍塔徑之內(nèi),可用于近似估算大型列管塔中不同條件下分布器影響區(qū)穿透而導(dǎo)致全塔流動(dòng)失穩(wěn)的判據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ053.5

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本文編號(hào)：2408275