气-液-固三相流体动力学模拟及其在费托反应器中的应用

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气-液-固三相鼓泡塔反应器具有结构简单、易操作、和传热和传质快等优点,在煤化工、石油化工、生物制药和材料工程等领域得到广泛应用,因此,对该类反应器内多相流体动力学特性进行系统研究具有重要的理论和实际应用价值。近年来,计算流体力学模拟技术已经成为一个描述和研究气-液-固多相流流体动力学问题的重要工具。其中,欧拉-欧拉方法被广泛运用于模拟气-液鼓泡塔内的气含率、液相速度、气泡尺寸与分布等流体力学特性参数。本文以费托合成浆态床反应器的开发为研究背景,建立和完善了气-液-固三相流欧拉-欧拉数值模型,采用该模型对费托合成反应器内的流动和反应进行了模拟,主要研究内容如下。  采用不同的气泡尺寸模型、曳力模型和升力模型对气-液鼓泡塔内流体动力学行为进行模拟研究,考察了相间作用力(曳力和升力)、湍流、气泡合并与分裂三者之间的相互关系。将模拟结果与文献报道的实验结果进行对比,发现只有同时考虑气泡的合并与分裂、曳力和升力的作用,才能够准确预测湍动气-液两相流的流动情况。  提出一种适用于模拟固体颗粒尺寸较小的三相体系的拟气-浆相间封闭模型,与传统的气-浆两相封闭模型不同的是,该模型同时对气、液、固三相的连续性方程和动量方程进行了求解。拟气-浆相间封闭模型通过修正气-液相间作用力来考虑颗粒对浆相粘度的影响,得到的平均气含率与文献报道的实验结果吻合。与现有的三相封闭模型相比,该模型预测的各相流动状态更加合理。为了进一步完善气-液-固三相数值模型,本文采用不同的曳力模型对浆态床内的液-固相间作用力进行计算,通过比较发现导入EMMS(energy-minimization multiscale)模型后,模拟求得的轴向固含率分布与上述文献报道实验结果较为一致。  采用上述气-液-固三相数值模型对一台工业设计的费托合成浆态床反应器内流动和反应过程进行模拟计算,考察冷却盘管等内构件对固体颗粒沉降的影响。模拟结果表明:(1)无内构件反应器的涡结构尺寸较大且主要分布在反应器的两侧;加入内构件后,大涡结构被大量的小涡结构取代,气含率、轴向液速、湍动能、湍流耗散率、气泡尺寸分布变得很不规则,反应器内各相的流动情况变得更加复杂;(2)导入内构件的反应器内湍动能k和湍流耗散率ε明显减小,较小的湍流耗散率使气泡的分裂速度减小,从而使得有冷却盘管反应器的气泡尺寸增大;(3)内构件的存在有助于抑制固体颗粒的沉降。
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