喷射环流反应器(JLR)是一种新型的气液或气液固接触装置,其结构简单、混合与固体悬浮能力强,适用于重油加氢、生物发酵和废水处理等领域,其主要特点是利用气液进料喷射动能和导流筒内外密度差产生强烈的液体内部循环,强化混合与固体悬浮,用于解决工业液相加氢、氧化等强放热反应器中颗粒沉积与热点产生等问题。现有文献中有关喷射环流反应器的流体力学研究多针对小塔径与气液两相体系的情况,涉及大塔径和气液固三相体系的流体力学研究极少,实验与模拟工作都很不充分,特别是尚未见到有关喷射环流反应器放大效应的研究报道。有鉴于此,本文建立了两套((?)200和(?)500)冷模实验装置,针对喷射环流反应器内的流体力学与放大效应展开研究。采用冷模实验测量和计算流体力学(CFD)两种方法系统地考察了表观气速、喷射模式、固含量对平均气含率、气含率分布、液相速度分布、固含率分布、循环速度等流动参数的影响规律,获得了大量基础实验数据,考察了流动参数的放大效应,建立了不同情况下的流体力学模型,为此类反应器的工业设计与放大提供了基础。论文内容包括以下几个方面:1.(?)200气液喷射环流反应器实验研究采用自制的电导探针和Pavlov管在(?)200 mm气液喷射环流反应器中,实验测量了不同表观气速和喷射模式下的平均气含率、局部气含率和轴向液速的径向分布。实验表明,相比于气体单独喷射模式,气液同轴喷射时的气含率、轴向液速和循环液速更高。液速分布比气含率分布更容易达到充分发展,气液同轴喷射模式能促进流动沿塔高的发展。喷射环流反应器气含率略低于气升式环流反应器和一般鼓泡塔,但液体循环速度显著高于后两者,适用于强化固体悬浮与混合的气液固三相反应过程。2.(?)200气液喷射环流反应器CFD模拟建立了大气泡-小气泡-液相三相模型,模型考虑了横向作用力和气泡诱导的湍流,对大气泡相和小气泡相分别考虑了尾涡加速和气泡阻碍效应并对其曳力系数进行修正。对气液同轴喷射模式下的不同表观气速进行了模拟,气含率和轴向液速分布的模拟结果和实验值符合较好,能够模拟喷射环流反应器内上升区和下降区的流动规律。模型反映了反应器内大、小气泡的分布特点。利用CFD手段考察了导流筒位置和尺寸对平均气含率和循环液速的影响,给出了优化的结构参数。3.气液喷射环流反应器的放大效应在(?)500 mm喷射环流反应器中,实验测量了不同表观气速和喷射模式下的平均气含率、局部气含率和轴向液速的径向分布,归纳了平均气含率关联式。CFD结果表明,本文提出的大气泡-小气泡-液相三相模型能够推广至大塔径的气液喷射环流反应器。通过不同塔径的实验和CFD结果比较分析发现,喷射环流反应器具有十分显著的放大效应,气含率不受影响的临界塔径比一般鼓泡塔大。小塔的气含率-气速曲线比大塔陡峭,低气速下小塔气含率低于大塔,较高气速下高于大塔。小塔在实验气速范围内流型为单一的拟均匀鼓泡流;大塔流型随气速增加从拟均匀鼓泡转变为湍动鼓泡状态。4.含小颗粒的喷射环流反应器实验和CFD模拟在(?)200 mm含小颗粒(Stokes数St小于1)的连续气液固三相喷射环流反应器内,实验测量了液速和气含率的分布,提出了大气泡-小气泡-浆态相三相流体力学模型,模型对于上升区和下降区的流场模拟和实验结果符合都较好。利用模型预测了不同固含量下的气含率与速度分布,结果表明,在考虑的固含量范围内(Cs≤15 vol.%),气含率随固含量的增加而下降,但液体循环速度却随固含量增加而有所上升。5.含大颗粒的喷射环流反应器实验和CFD模拟在(?)200 mm含大颗粒(Stokes数St大于1)的连续气液固三相喷射环流反应器内,采用多种测量手段,考察了表观气速、表观液速、固含量对气含率、轴向液速、气泡特性分布的影响。提出了大气泡-小气泡-液相-固相四相流体力学模型,模拟结果和实验值大体符合。结果表明,喷射环流反应器具有良好的固体悬浮能力;随着固含量增加,气含率、循环液速和气泡浮升速度均减小,流体沿塔高发展延缓,原因是气泡和颗粒间的碰撞作用加剧。