【摘要】：氣液(漿態(tài))反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于石油化工、生物化工和環(huán)境工程等領(lǐng)域。關(guān)于這類反應(yīng)器的模型與數(shù)值模擬研究已經(jīng)有很多,但是由于氣泡-氣泡、氣泡-液相之間的相互作用復(fù)雜,相間作用力、氣泡導(dǎo)致的湍動和氣泡聚并、破碎等多種模型的組合形式多樣,目前尚沒有能夠普遍適用的模型。本文從計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics,CFD)-群體平衡方程(Population balance equation,PBE)耦合模型出發(fā),對氣液鼓泡塔和氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行了模型與數(shù)值模擬研究。首先,利用Fortran自編程序建立氣液兩相的CFD-PBE耦合模型。針對固定節(jié)點(diǎn)法存在的對大顆粒數(shù)密度預(yù)測偏高的問題,首次將固定節(jié)點(diǎn)法改進(jìn)之后的單元平均法,成功地用于非均相體系PBE的求解。利用該模型對氣液鼓泡塔進(jìn)行了模擬研究,分別采用單元平均法和固定節(jié)點(diǎn)法求解模型中的PBE。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn),兩種方法計(jì)算得到的氣含率、軸向液速等都可以和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地吻合,但是采用固定節(jié)點(diǎn)法得到的氣泡平均直徑偏大,氣泡大小分布(Bubble size distribution,BSD)較寬且大氣泡預(yù)測偏高,利用單元平均法得到的氣泡平均直徑和局部BSD與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合。隨后利用該模型對表觀氣速的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示隨表觀氣速增大,模擬得到的反應(yīng)器內(nèi)氣含率逐漸增大,氣泡平均直徑呈現(xiàn)先略微增大后減小的趨勢。其次,基于開源計(jì)算流體力學(xué)軟件平臺OpenFOAM(C++風(fēng)格編寫)開發(fā)了氣液兩相CFD-PBE求解器,并以鼓泡塔為對象完成了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步耦合了氣液傳質(zhì)、反應(yīng)過程和描述結(jié)晶過程的PBE,開發(fā)了適用于氣液結(jié)晶體系的CFD-PBE-PBE的耦合模型與求解器,首次實(shí)現(xiàn)這類體系的耦合模擬。以環(huán)流結(jié)晶器為研究對象,對CO2氣和Ca(OH)2溶液反應(yīng)生成CaC03結(jié)晶的過程進(jìn)行了研究,分別考察了化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)因子、結(jié)晶動力學(xué)模型和操作參數(shù)對結(jié)晶過程的影響。模擬結(jié)果顯示,考慮化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)因子對溶液pH值和Ca2+濃度的變化略有影響,但是對顆粒的平均直徑和顆粒大小分布(Crystal size distribution,CSD)基本沒有影響。結(jié)晶動力學(xué)模型對模擬結(jié)果影響顯著,選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶動力學(xué)模型可以得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合的模擬結(jié)果,準(zhǔn)確預(yù)測反應(yīng)器內(nèi)pH值、Ca2+濃度和晶體直徑等隨時間的變化情況。表觀氣速增大會顯著加快OH-和Ca2+的消耗速度,晶體平均粒徑略有增加。反應(yīng)物初始濃度增大時,晶粒的平均直徑減小且CSD變窄并向左移動。最后,目前關(guān)于鼓泡塔的模型和數(shù)值模擬研究大多是在常壓下進(jìn)行的,而工業(yè)鼓泡塔則通常是在加壓的條件下進(jìn)行操作的。因此在氣液兩相CFD-PBE求解器中,對曳力模型和氣泡破碎模型進(jìn)行了修正,通過引入修正系數(shù)考察了壓力對氣含率和氣泡大小的影響。利用該求解器對不同壓力下的鼓泡塔進(jìn)行了模擬,模擬所得氣含率和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在表觀氣速較高時氣泡直徑的預(yù)測結(jié)果隨壓力增大而減小,BSD的模擬結(jié)果顯示隨壓力增大,大氣泡減少、小氣泡增多,說明氣泡的破碎增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ021
【圖文】：

流（ａｎｎｕｌａｒ邋ｆｌｏｗ），也有很多文獻(xiàn)簡單地分為均勻鼓泡流和非均勻鼓泡流（翻逡逑騰流）（Ｌｅｏｎａｒｄ邋等，２０１５；邋Ｓｈａｉｋｈ邋和邋Ａｌ－Ｄａｈｈａｎ，２００５；邋Ｍｕｄｄｅ，２００５）。從逡逑圖１．１可以看出，在不同的流型，流動狀態(tài)有很大差別，氣相的形態(tài)及氣相和逡逑連續(xù)液相的相互作用也會發(fā)生顯著的變化。均勻鼓泡流在細(xì)菌和真菌培養(yǎng)、細(xì)逡逑胞蛋白質(zhì)的生成、動物細(xì)胞培養(yǎng)和生物化工的廢水處理等方面有較多應(yīng)用；而逡逑非均勻鼓泡流（翻騰流），則常用在高放熱過程，如液態(tài)甲醇合成和費(fèi)托合成逡逑等過程中，對于翻騰流等的理解對核工業(yè)（如沸水反應(yīng)爐）也有重要的意義逡逑（Ｍｏｎｔｏｙａ等，２０１６）。準(zhǔn)確判斷流型及流型轉(zhuǎn)變，對于反應(yīng)器的操作、設(shè)計(jì)逡逑及放大都有非常重要的意義。逡逑ｌｉＭ逡逑W 曑逡逑ｔ邐ｔ邐g邐Ｉ逡逑Ｂｕｂｂｌｙ邋ｆｌｏｗ邐Ｓｌｕｇ邋ｆｌｏｗ邋Ｃｈｕｍ邋ｆｌｏｗ邋Ａｎｎｕｌａｒ邋ｆｌｏｗ逡逑圖１．１垂直管氣液兩相流型（黃青山，２００８）逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ｆｌｏｗ邋ｒｅｇｉｍｅｓ邋ｉｎ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ邋ｐｉｐｅｓ逡逑２逡逑

氣含率隨表觀氣速基本呈線性增加；隨著表觀氣速的增加，流動進(jìn)入非逡逑均勻鼓泡流（翻騰流），氣泡聚并形成大氣泡，氣含率隨表觀氣速的增加趨勢逡逑變緩，如圖１．２所示，因此文獻(xiàn)中經(jīng)常根據(jù)這一特點(diǎn)描繪氣含率－表觀氣速圖來逡逑判斷反應(yīng)器內(nèi)的流型。對于常溫常壓下的空氣－水體系，由均勻鼓泡流向非均勻逡逑鼓泡流轉(zhuǎn)變的表觀氣速約為0．0４邋ｍ／ｓ邋（Ｌｅｏｎａｒｄ等，２０１５）。但是對于直徑小于逡逑０．１５邋ｍ的鼓泡塔，當(dāng)表觀氣速增大時不會直接變?yōu)榉v流，而是會出現(xiàn)柱塞流。逡逑Ｓａｒｒａｆｉ等（１９９９）研究發(fā)現(xiàn)流型轉(zhuǎn)變氣速隨反應(yīng)器直徑增大而增大，當(dāng)反應(yīng)器逡逑直徑大于０．１５邋ｍ時，轉(zhuǎn)變氣速不再隨直徑變化；Ｓａｒｒａｆｉ等（１９９９）和Ｒｕｚｉｃｋａ逡逑等（２００１）的研宄結(jié)果表明，靜液高度的增加會減小流型轉(zhuǎn)變氣速直到靜液高逡逑度大于０．４邋ｍ后，轉(zhuǎn)變氣速不再隨靜液高度變化。許多研究者研宄了壓力對氣逡逑含率的影響

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2731049