大型鼓泡塔中布氣方式與列管內(nèi)構(gòu)件對流動的影響研究.pdf

1、鼓泡塔（漿態(tài)床）是一種常見的氣-液（氣-液-固）接觸與反應(yīng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳質(zhì)傳熱快、混合均勻、無移動部件及操作維護費用低等優(yōu)點，在化工、環(huán)境、生化、能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。工業(yè)費托合成漿態(tài)床底部安裝有氣體分布器，其性能決定著氣泡初始尺寸和流動參數(shù)的初始分布;內(nèi)部還安裝有密集的換熱列管束來移除大量的反應(yīng)生成熱，列管的存在顯著影響著床內(nèi)的流體流動和傳熱傳質(zhì)規(guī)律，給反應(yīng)器的設(shè)計與放大增加了很大的困難。因此，針對大型鼓泡塔的氣體分布器和換熱列

2、管內(nèi)構(gòu)件開展有關(guān)的流體力學(xué)研究，對這兩類重要內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計以及反應(yīng)器的放大都具有重要的應(yīng)用價值。然而，迄今為止的文獻中關(guān)于鼓泡塔的流體力學(xué)研究大部分針對的是低氣速、小塔徑及無內(nèi)構(gòu)件、充分發(fā)展段的情況，關(guān)于高氣速、大塔徑、含密集列管內(nèi)構(gòu)件的流體力學(xué)研究還很不充分，在分布器與密集列管束耦合作用下的鼓泡塔內(nèi)流動規(guī)律還沒有得到明確的認識。有鑒于此，本論文將針對高氣速湍動鼓泡流型下的大型鼓泡塔內(nèi)分布器布氣方式和列管內(nèi)構(gòu)件的配置對流動的發(fā)展、流動參數(shù)

3、分布的影響開展研究，采用實驗測量及計算流體力學(xué)(CFD)兩種方法系統(tǒng)地研究空塔及帶內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔內(nèi)流體流動規(guī)律，建立相應(yīng)的鼓泡塔流體力學(xué)模型，用于反應(yīng)器模擬與內(nèi)構(gòu)件設(shè)計。論文內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1.布氣方式對鼓泡塔流動影響的實驗測量采用電導(dǎo)探針和Pavlov管在外徑800 mm（內(nèi)徑760mm）無列管的大型鼓泡塔冷模實驗裝置內(nèi)測量了不同表觀氣速(0.08～0.62m·s-1)、三種布氣方式（均勻布氣、中心布氣及近壁布氣）情

4、況下的平均氣含率、不同軸向高度的局部氣含率、軸向液速以及液相脈動速度的徑向分布規(guī)律。實驗表明，在無內(nèi)構(gòu)件的空塔內(nèi)分布器的影響只限于約3倍塔徑的局部范圍，塔中上部存在一個流動參數(shù)分布與布氣方式和塔高無關(guān)的充分發(fā)展段;但分布器產(chǎn)生的初始分布沿塔高的發(fā)展受到布氣方式、表觀氣速及塔徑的影響:均勻布氣與中心布氣時流動發(fā)展比近壁布氣快;同時表觀氣速越大，塔徑越小，流動發(fā)展越迅速。
　　2.布氣方式對鼓泡塔流動影響的CFD模擬建立了基于雙氣泡模

5、型的三相（液相、大氣泡相以及小氣泡相）流體力學(xué)模型，對不同布氣方式下的鼓泡塔內(nèi)流動進行了模擬，計算的氣含率、軸向液速以及脈動速度的三維分布與實驗結(jié)果符合良好。模型反映了大小氣泡由于受到的橫向作用力方向不同，在塔內(nèi)將產(chǎn)生分離過程:大氣泡富集在中心區(qū)而小氣泡富集在近壁區(qū)。這種分離機制對氣含率的非均勻分布以及塔內(nèi)流動的發(fā)展有重要的影響。雙氣泡模型能夠預(yù)測不同塔徑鼓泡塔的流體力學(xué)規(guī)律，反映分布器影響區(qū)隨著塔徑增大而延長的現(xiàn)象。
　　3.布

6、氣方式對列管塔內(nèi)流動影響的實驗研究在(O)800 mm鼓泡塔內(nèi)測定了不同布氣方式、列管密度以及表觀氣速下的氣含率、液速以及液相脈動速度的三維分布，發(fā)現(xiàn)列管塔與空塔的流動規(guī)律截然不同:空塔中氣體分布器的影響是局部性的，而列管塔中卻是全局性的，流動參數(shù)的初始分布決定著其全塔分布，分布器影響區(qū)貫穿全塔，不同布氣方式產(chǎn)生的流動規(guī)律完全不同，塔內(nèi)未觀察到充分發(fā)展段存在的跡象。大型列管塔中的這些實驗現(xiàn)象刷新了對列管塔內(nèi)流動圖案的認識，凸顯了氣體分布

7、器在列管塔放大設(shè)計中的重要性。
　　4.布氣方式對列管塔內(nèi)流動影響的CFD研究將列管內(nèi)構(gòu)件對流體的作用體積平均化，考慮為兩相流體力學(xué)方程中的動量源項、湍流動能源項以及湍流耗散源項，同時對升力系數(shù)進行修正以描述列管對氣泡橫向運動的影響。模型計算的氣含率、液速以及液相脈動速度徑向分布與實驗值大體相符。模型能夠反映小塔徑列管塔內(nèi)分布器影響區(qū)延長、充分發(fā)展段中流動趨于陡峭的現(xiàn)象，同時也能描述大型列管塔中初始分布的發(fā)展。根據(jù)模型，可以理解大

8、型列管塔內(nèi)充分發(fā)展段消失的原因是:一方面，列管對湍流的抑制引起湍流粘度降低，而且在大塔徑內(nèi)湍流粘度的降低更為顯著，導(dǎo)致流動沿塔高的發(fā)展減慢;另一方面，高氣速下列管對大氣泡橫向運動的阻礙使得氣泡由空塔內(nèi)的螺旋式上升變成列管塔內(nèi)的直線式上升，傾向于保持初始的氣含率與速度分布。
　　5.針翅列管塔內(nèi)流體力學(xué)的研究提出采用針翅列管內(nèi)構(gòu)件技術(shù)來強化傳熱，同時降低列管塔內(nèi)分布器影響的敏感性。實驗測量了針翅列管塔內(nèi)不同布氣方式下鼓泡塔內(nèi)流動參數(shù)

9、的分布，發(fā)現(xiàn)針翅列管具有流動穩(wěn)定器的功能，能夠在一定程度上改善列管塔內(nèi)流動參數(shù)的不均勻分布，緩解分布器影響過于敏感的現(xiàn)象。實驗還發(fā)現(xiàn)，針翅列管的非均勻布置將引起塔內(nèi)的氣體短路現(xiàn)象，而光滑管的非均勻布置對塔內(nèi)流動影響不大。
　　6.列管約束下氣泡運動規(guī)律的CFD模擬采用流體體積元(VOF)模型對受列管約束的氣泡運動規(guī)律進行模擬，揭示列管內(nèi)構(gòu)件的“壁面效應(yīng)”，結(jié)果表明列管密度、列管布置方式及列管直徑對不同大小氣泡的運動軌跡、形狀、浮升