三级碳化反应器中的气泡行为研究

针对“钙化碳化法”处理低品位铝土矿及赤泥新方法的核心环节碳化过程,为实现碳化反应器内气泡微细化及均匀分布,提高碳化效率,提出了“三级错流文丘里式射流反应器”,并进行了冷态物理模拟研究,考察了反应器内的局部气含率和气泡上升速度.结果表明,气含率随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小,沿反应器轴向逐渐降低,后一级反应器的气含率大于前一级;气泡上升速度随表观气速和表观液速的增大而增大,沿反应器轴向逐渐降低,后一级反应器的气泡上升速度大于前一级,该结果为碳化反应器的设计和工业应用提供了依据.     

规整填料内鼓泡流动的二维CFD模拟

规整填料内鼓泡流动现象的研究对于开发新型气液传质与反应设备具有重要的指导作用。为此应用VOF（Volume of Fluid）多相流模型建立了描述规整填料内部鼓泡流动现象的二维模型,模型中考虑了影响气液两相流动的两个重要作用力：表面张力和气液相间作用力。模拟计算结果显示,气泡在上升过程中自身振荡,随着入口气速的增大,气泡形变程度增大,并且伴有气泡聚并现象发生。气泡上升过程中,气泡周围液体的速度增大,并且形成大小不同的旋涡结构,单点速度值的波动程度随气体入口速度的增大而增大。     

CFD优化大型浅层鼓泡塔管式气体分布器结构

分布器结构影响大型浅层鼓泡塔反应器性能,采用CFD模拟研究了5种四管气体分布器,各分布器的通气管均匀布置在不同的分布环上（0.3/0.4/0.5/0.6/0.7＊DT）,模拟采用了双流体方法和多气泡簇MUSIG模型。文中较全面的考察了高表观气速下（Ug=0.1m/s）管式分布器分布环直径对反应器流型、相含率、液速、湍b流、气泡大小以及混合时间的影响;模拟结果表明整体气含率和混合时间均随环径比先增大后减小,气含率的最佳环径比在0.4左右,而混合时间最大值出现在0.5d/DT附近,当环径比小于时0.5,鼓泡塔内为单循环流动,大于此值,鼓泡塔内将形成双循环流动,不利于混合。     

基于电阻层析成像技术的气升式内循环鼓泡反应器流体力学研究

采用电阻层析成像(ERT)技术,对高为1 024 mm、直径为165 mm,导流筒高为590 mm、直径为80 mm的气升式内循环反应器进行流体力学参数的测量。考察表观气速对上升区和下降区内等3个截面处气含率的影响以及反应器内流型的变化情况。研究结果表明:在上升区,气含率随表观气速的变化与普通鼓泡塔情况一样,而在下降区,一部分气泡由于气液湍动被带入下降区;随着表观气速的增加,液体的循环速度逐渐增大,更多的气泡被拖曳到下降区,下降区内气含率增加明显。通过对ERT图像时间序列的叠加,可以清晰得出在上升区低气速下气泡离散式上升,随着表观气速的增加,以气泡群的方式流动且气泡聚并明显,并出现气泡群的摆动;在下降区,随着液体循环速度增加,下降区气液层消失,气含率逐渐增大。     

气升式反应器气液混合及传质特性的CFD模拟

气液混合时间和体积传质系数是气升式反应器设计和放大的重要参数。采用实验与流体动力学CFD数值模拟技术相结合的方法对气升式内环流反应器的气液两相混合和溶氧过程开展研究。以欧拉-欧拉模型为基础,利用标准k-ε及多尺度气泡(MUSIG)模型耦合Higbie渗透理论进行计算,对反应器内气液两相流的混合和氧传质进行CFD数值模拟。考察示踪剂进样位置和表观气速对混合时间的影响,并研究表观气速对体积传质系数的作用规律。结果表明:示踪剂注射位置越靠近曝气区,气液混合时间越小,在一定表观气速下,混合时间随着表观气速的增大而减小,体积传质系数则随着表观气速的提高而增大,CFD数值模拟结果与实验结果较好吻合,进一步验证了CFD数值模拟技术在气升式反应器设计和放大中的可行性。     

鼓泡床中分布器对气泡行为影响的电容层析成像分析

采用英国Process Tomography有限公司研制的12电极双面电容层析成像(ECT)系统,研究了不同的分布器结构对鼓泡床气泡行为的影响。结果表明:在相同的表观气速下,随着分布器开孔数目的增多,气含率相应增加;随着表观气速的增加,气含率逐渐上升;当分布器具有泡罩结构时,对应的气含率较高。借助Plot3d考察了气泡上升过程中的准三维结构,发现气泡(群)的上升过程近似一种螺旋运动。     

结构化反应器床层中两相流动特性实验研究

以空气-水为介质,分别以喷嘴和填充直径1mm玻璃珠的30cm高的床层为分布器,在表观液速为0.0522～0.1306m/s,表观气速为0.0739～0.5171m/s,气液并流向下的操作条件下,测定了0.1m直径塔中,孔径分别为1.1和2.1mm的2种结构化催化剂床层中的总压降和液含率等流动参数。结果表明,床层总压降随着表观气速、表观液速的增大均增大。液含率随着表观气速的增大而减少,随着表观液速的增大而增大。通过对2种分布器的比较可以发现,相同条件下,以喷嘴为分布器的床层总压降和液含率比以玻璃珠为分布器的床层总压降和液含率小。比较2种床层可知,相同条件下,结构化催化剂的孔径越小,其床层总压降与液含率越大。此外,建立了能较好预测两相摩擦因子以及液含率的经验关联式,偏差在±15%以内。     

悬浮床渣油加氢中型连续装置反应器中气含率的冷模实验

在辽河减压渣油悬浮床加氢中型连续装置工艺试验的基础上 ,采用气、液替代物及参数换算的方法对中试反应器中的流动形态进行了冷态模拟 ,测定了反应器中的气含率 ,考察了反应器操作条件、反应器入口分布器类型及原料物性等因素对气含率的影响。实验结果表明 ,反应器入口分布器类型对气含率的影响较为显著 ,随着反应器入口分布器孔径的增大 ,气含率呈下降趋势。在体积空速为 0 5～ 2 0h-1及氢油体积比为 5 0 0～ 10 0 0的操作条件下 ,气含率随着反应器中表观气速的增大而增加 ,两者呈幂函数关系。表观液速对气含率的影响很小 ,基本可以忽略。液相粘度对气含率的影响与分布器类型密切相关。当使用单孔和筛孔分布器时 ,气含率随液相粘度的增大而减小 ;当使用烧结分布器时 ,气含率随液相粘度的增大而增加     

氧热法电石合成淤浆鼓泡床反应器的流动特性

针对氧热法电石合成的电石吸热反应和炭燃烧放热耦合特点,本文设计并研究了适用该过程的三相淤浆鼓泡床反应器。采用空气-水-氯化聚氯乙烯（CPVC）模拟物系,实测了不同表观气速、固体颗粒进料量和静液高度下淤浆鼓泡床床层中局部平均气含率、固含率轴向分布和大、小两类气泡的分布。结果表明表观气速越大,局部平均气含率越大;固体颗粒的加入减小了床层局部平均气含率。当Ug在0.136~0.196m/s之间时,固含率轴向分布随表观气速增大趋于均匀;固体颗粒进料量越小则固含率沿轴向分布越均匀。随着表观气速的增加,小气泡含量逐渐增加,大气泡含量逐渐减小;随着静液高度的增加,大气泡含量均是先增大后减小。上述结果表明电石生成反应与燃烧供热反应原位耦合于淤浆鼓泡床中是可行的。     

悬浮床渣油加氢中型连续装置反应器中气含率的冷模实验

在辽河减压渣油悬浮床加氢中型连续装置工艺实验的基础上,采用气,液替代物及参数换算的方法对中试反应器中的流动形态进行了冷态模拟,测定了反应器中的气含率,考虑了反应器操作条件,反应器人口分布器类型及原料物性等因素对气含率的影响,实验结果表明,反应器人口分布器类型驿气含率的影响较为显著,随着瓜在器入口分布器孔径的增大,气含率呈下降趋势,在体积空速为0．5－2.0h^-1及氢油体积分比为500－1000的操作条件下,气含率随着反应器中表现气速的增大而增加,两者呈幂函数关系,表观液速对气含率的影响很小,基本可以忽略,液相粘度对气含率的影响与分布器类型密切相关,当使用单孔和筛孔分布器时,气含率随液相粘度的增大而减小,当使用烧结分布器时,气含率随液相粘度的增大而增加。     

降膜微通道内液相成膜特性及气-液传热过程数值模拟

采用流体体积函数(VOF)模型对浓硫酸(w=98%)在降膜微通道内的降膜流动及气-液两相传热行为进行了二维数值模拟。重点分析了液相入口流速对液膜厚度、液膜内速度分布的影响,结果表明液膜厚度与入口流速成正比,液膜内速度呈抛物线型分布。模拟研究了气-液两相入口流速、温度等因素对相间传热系数的作用规律,结果表明传热系数随气、液入口流速的增加而增加,随气相入口温度的增加而降低。与传统设备相比,降膜微通道内模拟所得的液膜努塞尔(Nu)数提高约8.77倍。     

双层半圆管盘式涡轮桨搅拌槽气液分散特性的数值模拟

采用基于气泡聚并和破碎机理的群体平衡（PBM-MUSIG）模型,对双层半圆管盘式涡轮桨搅拌槽内的气液分散特性进行了数值模拟;考察了不同通气量和操作转速下气液搅拌槽内流体流动,局部气含率和气泡尺寸的分布规律。模拟结果表明：通气工况下搅拌槽内的液相流场具有双循环流动形式;采用PBM-MUSIG模型预测的局部气含率分布与文献实验数据吻合较好;搅拌槽内气泡尺寸随转速增加而减小,随气量增加而增大;桨叶排出流区域内气泡尺寸较小,近壁区和循环区内气泡尺寸较大。     

三相鼓泡塔反应器液体流速分布的实验研究

采用示踪剂电子电极法对气-液-固三相鼓泡塔局部液体流速的测试结果表明，塔中心处的局部液速最大，近塔壁处最小，随表观气速增大，初始流体流动处于由均匀流型向过渡流型的转变；当表观气速继续增大，平均液速则明显增加，轴向液速的径向分布呈线性关系，表明流体的流动进入非均匀流型；三种不同结构的气体分布器对反应器中心线处轴向流速影响的实验表明，环状气体分布器的反应器底部存在一个狭小的回流区。     

微膨胀床反应器压降及轴向扩散特性研究

以多孔的球、齿球和三叶草形催化剂为填充颗粒,考察了微膨胀床反应器的床层压降及液相总的和局部的轴向扩散特性。结果表明,3种催化剂床层压降都随表观液速的增大而增大,随表观气速的增大而减小;球形催化剂的床层压降最大,三叶草形催化剂的床层压降最小。通过示踪-响应法测定示踪剂在微膨胀床反应器中的停留时间分布,求取了床层总的和局部的彼克列数Pe。结果表明,3种催化剂总的彼克列数都随表观液速的增大而增大,随表观气速的增大而减小;局部的彼克列数随着催化剂床层轴向高度的增加而减小。3种催化剂床层的总的彼克列数大小依次为:球形最大,齿球形次之,三叶草形最小。     

气泡黏性对上升运动特性影响的界面追踪算法模拟

为了研究气泡黏性对其上升过程的速度、形态以及阻力系数的影响,基于界面追踪法(front-tracking method,FTM)模拟了气泡在黏性流体中的运动,通过改变气泡黏性来改变气液黏度比,研究了气泡内的速度分布以及气泡周围黏性剪切应力的分布和变化特点。研究表明:气液黏度比较小时,流场中的黏性耗散很强,气泡的黏度主要影响其平衡速度和形态,气液黏度比较大时,黏性耗散减弱,其平衡速度和形态基本无变化,气泡黏性主要影响气泡内的速度分布;气泡上升过程中的阻力系数随黏度比增大而减小,黏性剪切应力则呈现相反的变化趋势。气泡上升过程中,周围的黏性剪切应力关于中心轴线对称分布,出现最大黏性切应力的区域由气泡两侧逐渐向气泡底部边缘过渡;气泡尾部边缘的形变引起气泡尾部的表面张力不平衡,使得气泡的形态发生改变。     

毛细管中泰勒流的流动及液相分散特性

在竖直毛细管中以自来水为液相,氮气为气相,气液两相在泰勒流型操作范围内并流向上流动。采用CCD照相法获得流动参数,采用脉冲示踪法通过电导探针测定浓度-时间曲线。考察了表观气、液速对气含率、液栓长度、液相平均停留时间和轴向扩散系数的影响规律。结果表明,气含率在0.4~0.85间,随表观气速的增加而增大,随表观液速的增加而减小;液栓长度的范围是5~30mm,其变化规律则与气含率的相反;液相平均停留时间在6~11s,随着表观气、液速的增加而减小;轴向扩散系数的范围是20~110cm2/s,随表观气、液速的增加而增大,轴向混合加大;本文建立的彼克莱数关联式Pe=2.214Re^0.2ε_G^-0.364ψ_L^0.948 能够预测实验值,偏差在±20%以内。     

连铸结晶器内气泡运动行为及影响因素

为了研究连铸结晶内气泡的运动行为及影响因素,采用了改进的数学模型对气泡在钢液内的运动行为进行了模拟.数学模型考虑气泡的弹开、聚合以及破碎行为,分析了不同拉速和浸入深度对气泡分布范围、含气率以及气泡平均直径的影响.研究结果表明:初始直径较小的氩气泡在水口内的运动过程中会发生碰撞聚合,生成大气泡.相同拉速下,气泡的分布范围和含气率随着水口浸入深度的增加而增大,气泡平均直径随浸入深度的增大而减小.相同浸入深度下,气泡的分布范围和含气率随着拉速的增加而增大,气泡平均直径随拉速的增大而减小.拉速对气泡直径的影响大于浸入深度的影响.     

气泡粘性对上升运动特性影响的FTM模拟

为了研究气泡粘性对其上升过程的速度、形态以及阻力系数的影响,基于FTM(Front- Tracking Method)模拟了气泡在粘性流体中的运动,通过改变气泡粘性来改变气液粘度比,研究了气泡内的速度分布以及气泡周围粘性剪切应力的分布和变化特点。研究表明：气液粘度比较小时,流场中的粘性耗散很强,气泡的粘度主要影响其平衡速度和形态,气液粘度比较大时,粘性耗散减弱,其平衡速度和形态基本无变化,气泡粘性主要影响气泡内的速度分布;气泡上升过程中的阻力系数随粘度比增大而减小,粘性剪切应力则呈现相反的变化趋势。气泡上升过程中,周围的粘性剪切应力关于中心轴线对称分布,出现最大粘性切应力的区域由气泡两侧逐渐向气泡底部边缘过渡;气泡尾部边缘的形变引起气泡尾部的表面张力不平衡,使得气泡的形态发生改变。     

加压溶气气浮气含率分布与气泡聚并规律研究

加压溶气气浮技术是污水除油中常用的高效工艺,气泡的大小和分布对除油效率的影响至关重要。本文基于相群平衡模型,对溶气气浮器内两相流动及气泡聚并进行数值模拟,并进行实验研究加以验证,建立了气浮器接触区模型,研究了气泡聚并及气含率分布规律,分析了释放头不同气液比和接触区高度对气含率分布和气泡聚并情况的影响。结果表明,接触区气含率随气液比增大而升高,随接触区高度的增加而降低,气泡在上浮过程中会发生聚并使得气泡变大,稳定性变差,同时加快上浮速度,会影响接触区的气含率分布。通过微观模拟发现大粒径微气泡在上浮过程中更容易发生聚并,小粒径微气泡则由于表面张力作用稳定性更强,不易发生变形和聚并。研究结果为溶气气浮气液比的选择和浮选过程气含率和气泡分布的研究提供参考。     

离心泵气液两相流数值模拟与可视化试验

为了研究离心泵输送气液两相介质时的内部流动规律,采用FLUENT软件对其内部流动进行了数值模拟,同时采用高速摄像机及普通相机对泵内气液两相流动进行了拍摄分析。研究了叶轮、蜗壳以及吸水管内的气液两相流动,分析了进口气相体积分率对泵内部流动与外特性的影响,揭示了离心泵内气相分布随进口气相体积分率的变化规律。研究结果表明:随着进口气相体积分率的增加,吸水管内的流型从塞状流变为分层流,叶轮内气泡从相对均匀分布到积聚成团最后堵塞流道。随着进口气相体积分率的增加、小流量工况(5、7 m~3/h)下,泵的流量不断减小,扬程急剧下降;在大流量工况(10、12、15 m~3/h)下,泵的流量先增大后减小,扬程缓慢减小。在半径为0.6倍叶轮半径附近,气相体积分率和气泡直径达到最大值。气泡直径随着进口气相体积分率的增加而增大,随着转速的增大而减小。研究结果对气液两相流泵的优化设计及高效运行具有参考价值。