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外环流氨化反应器是磷酸氨化的主要设备,具有物料混合均匀、湍流剧烈、气泡分散度高、传质面积大等优点。影响外环流氨化反应器性能的最重要因素是流动特性和气泡粒径分布(BSD)。对外环流氨化反应器内流动特性及气泡粒径分析有助于深入对传质和反应机理的理解,并指导反应器的操作参数和结构优化,对磷酸氨化过程中的节能减排有重要的指导意义。本文采用粒子图像测速(PIV)技术、数字图像分析(DIA)和数值模拟的方法研究了实验室规模外环流氨化反应器中的流动特性和气泡尺寸分布(BSD)。主要包括以下四个方面的内容:
采用PIV实验法对外环流反应器的流动特性进行了实验研究,结果表明:表观气速大约为30mm/s时流型从均匀鼓泡流进入过渡流,表观气速大于80mm/s时流型从过渡流转变为非均匀鼓泡流;随着表观气速增大,循环液速先增加到最大值,然后随着表观气速增加而迅速减小,并且最终变得与表观气速无关。当表观气速为30mm/s时循环液速达到最大值,为0.41m/s;分布器孔径对上升管气含率分布的有一定的影响,在均匀鼓泡区和过渡区,上升管时均气含率随孔径增大而减小;在非均匀鼓泡区,分布器孔径对上升管时均气含率的影响不大。
采用气液两相流的Euler-Euler模型、k-ε模型以及湍流修正模型对外环流反应器内流动特性进行了模拟。比较不同曳力模型对模拟的时均气含率和轴向液速的影响,结果显示:Tomiyama模型对轴向液速预测过低,对时均气含率预测过高;Karamanev模型则相反;DBS-local模型预估值与实验值更吻合。升力和湍流扩散力对模拟结果有较大影响,因此模拟中需要考虑升力和湍流扩散力的影响。模拟值与实验值有一定差距,这是由于CFD模型采用的是单一的气泡直径,而实际流动中,气泡呈一定的粒径分布,因此需要将气泡粒径对流动特性的影响引入到数值模拟中。
采用数字图像分析(DIA)技术分析了不同表观气速下实验室规模ELALR中的气泡尺寸分布(BSD)。实验结果表明:当表观气速小于20mm/s时,DIA计算的含气率与实验数据吻合得很好,说明可以采用DIA方法计算气泡的粒径分布。随着表观气速的增加,气泡的概率密度(Probability Density Function,PDF)曲线变得更平坦,从单峰变为双峰。对于双峰PDF曲线,小气泡的峰值约为1.5mm,随着表观气速的增加,小峰值的概率增加。另一方面,较大气泡的峰值从4.5mm变为5.5mm,并且随着表观气速的增加,大峰值的概率降低。在相同的表观气速下随着循环液速的增加,气泡变得更小,气泡的上升速度增加。随着分布器孔径增大,气泡峰值粒径明显增大,且最大粒径的概率密度减小。
引入气泡尺寸分布的群体平衡模型(PBM),分析不同气泡聚并和破碎机制,并对模型进行了修正,建立了模拟气液体系流动特性及气泡尺寸分布的CFD-PBM模型。研究结果表明:随着湍流耗散率和气含率的增大,气泡聚并速率也增大;在均匀鼓泡流和过渡流范围内,PIV实验值和CFD-PBM模型模拟值吻合较好,液相速度分布呈抛物线分布,CFD-PBM模型对流动行为及气泡尺寸都有较好的预测能力;最大时均气含率位于上升管轴线位置,并且在近壁面附近存在一些高时均气含率点,气液流动大约在300mm的位置进入完全发展状态。随着表观气速的增加,PDF曲线变得更平坦,从单峰变为双峰,与实验观察吻合。在化工生产中,可以加快循环液速、减小气体分布器孔径、加入搅拌或丝网等内件的方法来减小气泡的平均粒径,增大气液传质面积,提高气液传质效率。
采用PIV实验法对外环流反应器的流动特性进行了实验研究,结果表明:表观气速大约为30mm/s时流型从均匀鼓泡流进入过渡流,表观气速大于80mm/s时流型从过渡流转变为非均匀鼓泡流;随着表观气速增大,循环液速先增加到最大值,然后随着表观气速增加而迅速减小,并且最终变得与表观气速无关。当表观气速为30mm/s时循环液速达到最大值,为0.41m/s;分布器孔径对上升管气含率分布的有一定的影响,在均匀鼓泡区和过渡区,上升管时均气含率随孔径增大而减小;在非均匀鼓泡区,分布器孔径对上升管时均气含率的影响不大。
采用气液两相流的Euler-Euler模型、k-ε模型以及湍流修正模型对外环流反应器内流动特性进行了模拟。比较不同曳力模型对模拟的时均气含率和轴向液速的影响,结果显示:Tomiyama模型对轴向液速预测过低,对时均气含率预测过高;Karamanev模型则相反;DBS-local模型预估值与实验值更吻合。升力和湍流扩散力对模拟结果有较大影响,因此模拟中需要考虑升力和湍流扩散力的影响。模拟值与实验值有一定差距,这是由于CFD模型采用的是单一的气泡直径,而实际流动中,气泡呈一定的粒径分布,因此需要将气泡粒径对流动特性的影响引入到数值模拟中。
采用数字图像分析(DIA)技术分析了不同表观气速下实验室规模ELALR中的气泡尺寸分布(BSD)。实验结果表明:当表观气速小于20mm/s时,DIA计算的含气率与实验数据吻合得很好,说明可以采用DIA方法计算气泡的粒径分布。随着表观气速的增加,气泡的概率密度(Probability Density Function,PDF)曲线变得更平坦,从单峰变为双峰。对于双峰PDF曲线,小气泡的峰值约为1.5mm,随着表观气速的增加,小峰值的概率增加。另一方面,较大气泡的峰值从4.5mm变为5.5mm,并且随着表观气速的增加,大峰值的概率降低。在相同的表观气速下随着循环液速的增加,气泡变得更小,气泡的上升速度增加。随着分布器孔径增大,气泡峰值粒径明显增大,且最大粒径的概率密度减小。
引入气泡尺寸分布的群体平衡模型(PBM),分析不同气泡聚并和破碎机制,并对模型进行了修正,建立了模拟气液体系流动特性及气泡尺寸分布的CFD-PBM模型。研究结果表明:随着湍流耗散率和气含率的增大,气泡聚并速率也增大;在均匀鼓泡流和过渡流范围内,PIV实验值和CFD-PBM模型模拟值吻合较好,液相速度分布呈抛物线分布,CFD-PBM模型对流动行为及气泡尺寸都有较好的预测能力;最大时均气含率位于上升管轴线位置,并且在近壁面附近存在一些高时均气含率点,气液流动大约在300mm的位置进入完全发展状态。随着表观气速的增加,PDF曲线变得更平坦,从单峰变为双峰,与实验观察吻合。在化工生产中,可以加快循环液速、减小气体分布器孔径、加入搅拌或丝网等内件的方法来减小气泡的平均粒径,增大气液传质面积,提高气液传质效率。