液固两相流化床传质过程的CFD模拟研究

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液固两相流化床凭借其接触高效、传质传热性能优良、颗粒分布均匀等优点被广泛的应用在化工、能源、冶金、材料和医药等领域。然而,流化床中复杂的流动传质耦合行为及其伴随的湍流特性十分复杂,仅依靠实验和纯理论分析难以揭示其相互作用规律,无法获得准确的速度场和浓度场分布情况,制约了液固两相流化床技术的进一步发展和工业应用。目前,将计算流体力学(CFD)与传质过程理论相结合并与计算机相关学科交叉而发展出的计算传质学(CMT)可以提供更多可视化和详细的动量、热量和质量传递的信息,为上述问题的解决提供了新的思路。本文针对目前国内外还缺少有关流化床液固两相传质过程准确预测方法的问题开展研究。在双流体方法(TFM)框架下,本文采用kl-εl-ks-εs-Θ模型结合颗粒动力学理论(KTGF)以描述流化床液固两相湍流流动,采用c~2-εc模型及传质动力学描述液固两相传质过程,进而构建了流化床液固两相CMT模型。并以两种常用的液固两相流化床反应设备—液固流化床(LSFB)和液固循环流化床(LSCFB)为模拟对象,开展了液固两相传质过程模拟研究。模拟结果表明,LSFB/LSCFB内流动行为的准确预测受曳力模型的影响较大,而受碰撞恢复系数和边壁反射系数的影响较小;湍流传质扩散对无颗粒循环的LSFB内蛋白质吸附过程和有颗粒循环的LSCFB提升管内蛋白质脱附过程均有较显著的影响。采用本文所建立的CMT模型得到的预测值和文献中的实验值呈现出较好的一致性,从而验证了模型的有效性和普适性;采用CMT模型得到的湍流施密特数在流化床内是变化的,这表明传统预测方法中将湍流施密特数假定为常数的做法是不够准确的,这也解释了传统模型预测结果往往出现较大偏差的原因。本文基于对LSFB/LSCFB中固含率、组分浓度、相速度以及湍流传质扩散系数等分布模拟结果的探究,考察了流化床液固两相传质规律与传质特性,为液固两相流化床设备的设计优化及工业应用提供了理论基础。
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