（化学工程专业论文）旋转填充床内微观混合与反应传质过程的研究.pdf

旋转填充床内的微观混合与反应传质过程的研究 摘要 旋转填充床作为一种性能良好的新型反应器，己受到广泛关注并在许 多工业过程得到应用。但是目前旋转填充床内高度分散的液体微元在填料 丝网所构成的多孔介质孔道中的流动行为和分散混合机制并不清晰，有待 深入研究。对旋转填充床内的微观混合现象进行研究，有助于填补这方面 的空白。同时，旋转填充床内液体微元的流动行为和分散混合机制可使床 内的气液传质模型得到进一步的完善。 本文结合先前对旋转填充床内液体流动状况的观测结果，在对超重力 旋转填充床内流动状态理解的基础上，建立物理模型，并结合实验，对液膜 在填料空间内的湍流混合一反应和液膜绕填料丝流动的湍流混合一反应 两个过程进行了研究。其中考虑了丝网与液膜的破碎促进混合作用，研究 床内微观混合状态对反应传质的影响。 数值模拟得到不同体积比条件下的反应物浓度、反应产物浓度和离集 指数的变化；依据实验结果与数值模拟结果的对比，间接确定了床内的液 膜厚度范围；对液膜速度模拟进行合理修正，通过流体流动、反应传质过 程的数值模拟，得到离集指数、湍流耗散率以及微观混合时间的变化。 实验结果和数值模拟表明：不同转速下微观混合呈分区现象，离集指 数、微观混合时间、湍流动能耗散率等均表现出明显的多尺度现象；离集 指数随填料丝网的沿层变化也表现出不同的规律。研究结果丰富了旋转床 北京化工人学颀i ? 学位论义 内微观混合与反应传质的认识，将为后续研究提供坚实的基础。 关键词：旋转填充床；微观混合；多尺度效应；数值模拟 s t u d yo nm l c r o m i x i n ga n dr e a c t i v es p e c i e s t r a n s f e ri nar o t a t i n gp a c k e db e d a b s t r a c t a san o v e lr e a c t o r , r o t a t i n gp a c k e db e dh a sb e e ne x p l o r e da n df o u n d a p p l i c a t i o n si nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d s h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i x i n g a n dr e a c t i o ni nt h em i c r o s c a l el i q u i d sa r er a r e l ys t u d i e dy e th i t h e r t o ，a n dt h e r e a c t i v em e c h a n i s mo fm i c r o m i x i n ga n dd i f f u s i o no nt h ep a c k e dw i r e si n r p ba r en o tc l a r i f i e da sw e l l h e n c e ，s t u d yo nt h em i c r o m i x i n go ft u r b u l e n t f l o w si nr p bi so fg r e a th e l pt ob u i l dt h er e a c t i v em e c h a n i s mi nr e l a t e df i e l d m e a n w h i l e ，t h em e c h a n i s mo fd i f f u s i o na n db e h a v i o ro ft h em i c r o - s c a l e l i q u i d sc o u l dp r o v i d ei m p r o v e m e n to nt h em o d e lo fs p e c i e st r a n s f e rw i t h i nt h e l i q u i df i l m s o nt h eb a s i so f p r i o rs t u d i e s ，a n dk n o w l e d g eo ff l u i df l o wi nr p b ，s o m e b a s i ca s s u m p t i o n sa r e a d o p t e d t oe s t a b l i s ht h e p h y s i c a l m o d e l t h e c o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r ei n v o l v e st h ec o n c u r r e n tf l o wp r o c e s so ft h et w o l i q u i ds t r e a m si nt h ep a c ks p a c ea n dt h es e p a r a t e df l o w i n gp r o c e s sa r o u n dt h e p a c k i n gw i r e s t h em i x i n gp r o c e s sb yt h eb r e a k a g eb e t w e e nt h ew i r ea n d l i q u i df i l mi st a k e ni n t oc o n s i d e r e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fm i c r o - m i x i n go n 北京化- t 大学硕十学位论文 t h er e a c t i v es p e c i e st r a n s f e r t h ee x p l o r a t i o no nt h em i c r o s c a l et r a n s p o r tp h e n o m e n ai nr p bi so f s i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fm i c r o - s c a l em i x i n ga n dc h e m i c a l r e a c t i o nt h e r e i n n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tt oo b t a i nr e a c t a n t c o n c e n t r a t i o n ，p r o d u c tc o n c e n t r a t i o na n ds e g r e g a t i o ni n d e xf r o md i f f e r e n t v o l u m er a t e s t h ef i l mt h i c k n e s si so b t a i n e di n d i r e c t l yb yc o m p a r i s o nb e t w e e n e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a lr e s u l t s a p p r o p r i a t em o d i f i c a t i o no nt h er o t a t i o n a l c o m p o n e n to ft h ev e l o c i t yo ft h el i q u i df i l mi sp r o p o s e da n dt h en u m e r i c a l r e s u l t sa r ei nr e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s t h ef l u i df l o w a n dt h es p e c i e st r a n s f e rw i t hap a r a l l e lr e a c t i o na r es t u d i e dt oo b t a i nt h e e v o l u t i o no ft h es e g r e g a t i o ni n d e x ，t h et u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t ea n dt h e m i c r o - m i x i n gt i m e w i t ht h er o t a t i o n a ls p e e d i ti se v i d e n c e dt h a tt h e r ee x i s t sd i f f e r e n tr e g i o n so fm i c r o - m i x i n ga t d i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d s ，i e ac l e a rf r a c t a lp h e n o m e n o ni ss e e mt ob ec l a r i f i e d p r i m a r i l y i tc a nb ed e d u c e da st w o - - r e g i o no rt h r e e r e g i o nt h e o r y t h e c h a n g e so fs e g r e g a t i o ni n d e xf r o mt h el a y e r sa r ea l s od i f f e r e n t p r e s e n ts t u d y a d v a n c e st h eu n d e r s t a n d i n go ft h em i c r o m i x i n gi nr p bw i l lp r o v i d eas o l i d b a s ef o rt h ef u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ： r o t a t i n gp a c k e db e d ；m i c r o - m i x i n g ；f r a c t a le f f e c t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 符号说明 反应物a 的纯混合平均浓度，m o l m o 反应物a 的初始进料浓度，m o l m - 3 组分n 的平均浓度，m o l m 。 反应物b 的初始迸料浓度，m o l m 。 组分n 的瞬时浓度，m o l m 。3 反应组分a 和反应组分b 混合后的浓度，m o l m 。 反应物a 的纯混合浓度方差，( t o o l m - 3 ) 2 组分n 的脉动浓度，m o l m 3 扩散系数，i n 2 s - 1 两层丝网之间的距离，m 动量产生率，n m s - 1 湍流动能，m 2 s 乏 反应速率常数，m 3 m o l 1 s 1 常数 转速，r p m s c h m i d t 数 压力，p a 反应速率，t o o l m - 3 , s - 1 液膜在第1 层填料空间内的飞行距离，m 液膜厚度，m 微观混合时间，s i 方向的速度分量，m s - 1 j 方向的速度分量，m s - 1 i 方向的平均速度，m s 1 j 方向的平均速度，m s 1 一一qg岛一咯 钆风j g七kp母s k 奶一u 一 北京化t 大学硕l ：学位论文 下标 n p 0 脉动速度，m s 1 进料流量，m 3 h 。1 离集指数 反应物a 和反应物b 的体积比 湍流动能耗散率，m 2 s 3 初始进料比，c b o c a o 转速，r m i n - 1 密度，k g m 。3 湍流粘度，m ? s 。 代表反应物a 、b 和产物r 、s 正混合 初始值 b 群 y 墨 口 f 芦j 、 国 p 胁 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：多叠坠 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 日期：邋笪z 日期：竺兰! ! ! 第章文献乡；：述 第一章文献综述 旋转填充床即超重力床，通过旋转产生离心力，所产生的加速度可达地球重力加 速度g 的数倍至数百倍，是一种新型的“三传一反”过程设备。在超重力环境下，分 子间的扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，反应流体在比地球重力场 大得多的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂 成微米至纳米级的液体微元( 液膜、液丝和液滴) ，产生巨大的和快速更新的相界面， 使相间传质速率比传统的反应器提高1 - 3 个数量级，微观混合和传质过程得到极大 强化。鉴于旋转填充床高度强化的传质和微观混合特性，其在工业生产中得到了广泛 应用，如合成纳米碳酸钙、尿素水解工艺等等，常规情况下往往需要高达几十米的巨 大的化工塔设备可用高不及两米的超重力机替代【1 1 。因此，超重力工程技术被认为是 强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，旋转填充床也被誉为“化学工业的晶体 管 。 旋转填充床作为新型的高效反应传质设备，已广泛应用于生产过程，如通过快速 反应沉淀的方法制备纳米粉体材料【2 】，油田注水脱氧【3 1 ，含s 0 2 烟气脱硫【4 】，生物氧 化反应【5 1 ，尘雾洗涤【6 】等等。尤其在旋转填充床内通过快速反应沉淀方法制备纳米粉 体更是当前突破性的进展。在该制备方法中，微观混合对于产品的性能、产品粒子的 分布影响显著。对旋转填充床内微观混合进行研究，有助于深入认识旋转填充床内高 度分散液体微元在填料丝网中的流动行为和分散混合机制，为旋转填充床内液液混合 一反应制备纳米材料提供理论基础。 1 1 旋转填充床内微观混合实验研究 1 1 1 旋转填充床的流体力学特性 气液、液液、气一液固等两相或者三相传质是化学工业及许多相关领域的基本 过程。在旋转填充床内，液膜厚度、液滴直径、液体在填料中的平均径向速度、持液 量、液泛和气相压降等对于反应组分间的传质扩散有着重要的影响。 郭奋等【7 】曾对旋转床填料内的流体流动特性，如液膜厚度和液滴大小、持液量和 床内气相压降进行了理论分析，并建立了数学模型。 1 、液膜厚度和液滴直径 液膜厚度： 北京化二r ：人等：颀j ：学位论文 艿：4 2 0 1 0 8 当( 1 1 ) 口，国r 式中，j 为液膜厚度( m ) ，a 为填料比表面积( m 2 m 。3 ) ，l 为液体通量( m 3 m s 1 ) ，r 为转子半径。利用式( 1 - 1 ) 可以计算丝网填料上的平均液膜厚度。 对于床层半径r 处丝网隙中可能的最大液滴可由液滴的受力分析得出其直径： 九= 垢( 南卜m 2 ， 液滴的平均直径为： 棚( 赤卜， 式中d m ，为最大液滴直径( m ) ，嘭为液滴直径( m ) ，p 为液体密度( 蚝m - 3 ) ，t l r 为表 面张力( n m 。) ，b 为常数( 可由照像分析结果得出：b = o 7 2 8 4 ，即平均直径为最大直 径的1 4 1 3 ) 。 2 、持液量 b a s i c 等 8 , 9 1 用电导的方法对填料层的持液量进行了研究，通过建立简化的物理 模型得到了计算径向平均持液量的数学模型。b u r n s 等【l o 】也用电导方法研究了液流速 度、气流速度、液体粘度、离心加速度对持液量的影响，并得出计算持液量的关联式： z l = ：。3 9 ( 言) - 。5 ( 长) o 。6 ( 丢) 。2 2 c 4 ， 式中气为持液量( 无因次) ，g 为离心加速度( 9 8 m s 之) ，g 。为特征离心加速度 ( m s 之) ，u 为液体流速( m s 。1 ) ，砜为特征液流速度( m s j ) ，为特征运动粘度( m 2 s 。1 ) 。 3 、气相压降 旋转床的气相压降是旋转床工程设计的一项重要指标。有研究表明【1 1 以3 1 ，总的趋 势是气相压降随转速和气量的增加而增加，而在一定的液量范围内随液量的增加而减 小。陈海辉等【1 4 】对逆流旋转床的气相压降进行了试验研究和模型计算。研究发现科氏 力引起的压降占总压降的1 2 2 0 ，摩擦力所引起的压降占总压降的4 0 7 0 。 他们还推导出了压降与操作工况的关联式： a p = a p s + a p + a p 。= 。“i 巨( 晖g + “j ) 易( 蚱g + “；) 2i b 办+ b ( o ) 2 r + 2 缈蟾) 办 2 笫一章文献综述 ( 1 - 5 ： 式中p 为气相压降( p a ) ，p ，为摩探力引起的气相压降( p a ) ，a p e , 为科氏力引起 的气相压降( p a ) ，a p w 为离心力引起的气相压降( p a ) ，互、置为e r g u n 公式中第一、 二系数，“；和“；分别为气体相对于填料的径向速度和周向速度( m s 。1 ) ，“j 为液体相 对于填料的径向速度( m s 1 ) ，成为气体密度( k g m 。) 。实验表明，气相总压降实测值与 用此关联式的计算值大部分偏差在1 0 以内。 另外z h e n g 等【1 5 】和李振虎等【1 6 】对逆流旋转床中气相压降的研究发现了三个与传 统填料塔完全不同的重要现象：( 1 ) 在试验范围内湿床压降小于干床压降；( 2 ) 在固定 填料外径的前提下，填料越厚压降越小；( 3 ) 转子动力消耗随气体流量的增加而减小。 i i 2 旋转填充床内的传质研究 郭奋，陈海辉等【】1 7 - 2 2 1 对旋转床内的传质模型、相界面积和填料内支撑对传质的 影响进行了研究。 i 、传质系数模型 陈海辉等【1 7 1 用化学吸收法对旋转填充床的体积传质系数试验表明，旋转床的体 积传质系数比传统的填料塔提高一个数量级，k l a 随液流量增大而增大。试验选取 c 0 2 - n a o h 试验体系，传质为液膜控制。根据试验结果，得至：l j k l a 与流量的关联式： 吒口= 0 0 7 6 8 + 1 7 4 l ( 1 6 ) 式中尼：口为以摩尔浓度差为推动力的液相体积传质系数( m s 。1 ) ，为液体通量 ( m 3 m - 2 s 。1 ) 。 郭奋【培】曾用旋转床采用氨法吸收s 0 2 对体积传质系数进行了研究( 氨法吸收s 0 2 是一个气相控制传质过程，因此总传质系数可用气相传质分系数计算) 。由表面更新 理论可知：k 。= 4 d s 式中t 为以压差为推动力的气相传质系数( m o l i n - 3 s l p a 1 ) ，d 为扩散系数 ( m 2 s 1 ) ，s 为表面更新率( s 。1 ) 。 假设气体的表面更新率s 与气速的平方成正比，得到抽的计算式： k y a = 以口= p 4 d k s u ；a ( 1 - 7 ) a = a f + ( 1 8 ) a d = 6 ( v 一6 i 口，) 4 ( 1 - 9 ) 式中k y a 为以a y 为推动力的气相体积传质系数( m o l m - 3 s 。1 ) ，p 为气相总压( p a ) ， k 为比例常数( m 0 1 m 一p a - 2 ) ，”窖为空床气速( m s j ) ，口为传质总比表面积( m 2 m 3 ) ，a f 北京化工人学颂t - 学位论文 为填料比表面积( m 2 m 。3 ) ，乃为液滴比表面( m 2 m - 3 ) ，4 为液滴直径( m ) ，d 为扩散系 数( m ? s 1 ) 。其中占、d i 可由式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 求出。 另外，研究结果也表明，旋转床的传质单元高度基本在0 0 2 5 m - 0 0 6 m 之间， 故其传质效率很高。 2 、相界面积 液体在超重力作用下，在填料表面形成液膜、空隙中的液滴，使相界面积增加。 陈海辉等【1 7 , 1 9 用化学吸收法测定了旋转填充床的有效相界面积。由试验结果分析，相 界比表面积a 随转速和液流量己的增加呈明显的增长趋势，其关系为a o c o ) o - 2 4 5 ； a o c l z ，幂指数z 在0 2 - 0 4 之间。 3 、填料内支撑对传质过程的影响 在实践中，填料可极大地强化传质，而松散的填料必须由内支撑来定位，以防止 填料变形、移位，但内支撑的加入必然会影响旋转床传质过程。郭奋1 2 0 2 1 l 曾采用水中 的氧被氮气解吸这一典型的液膜控制传质体系，计算传质单元数( n t u ) 作为目标函数 以表征传质效果的好坏。结果表明，内支撑开孔形状、厚度对传质无明显影响，内支 撑布置在填料端效应区时会极大地强化传质，在1 0 1 0 0 的开孔率范围内，内支 撑的加入有利于传质；而在2 5 1 0 的开孔范围内，内支撑的加入不利于传质。 通过对五种分布器进行对比试验，并对实验数据进行分析和处理得出结论【2 2 l ： 旋转床气相压降随转速、气量的增加而增大，随液量的增大而减小；不同液体分布器 对旋转床气相压降影响较小。对传质的影响规律是：在逆流旋转床内，气相总传质系 数凰a 随转速、气量、液量的增加而增大；在相同操作条件下，试验中使用的不同分 布器对传质的影响不十分明显，分布器到填料空腔内的传质大约占整个旋转床内传质 的1 0 以下。 1 1 3 现代流动测试技术 1 、热线风速仪技术( h w a ) 2 3 】 利用放置在流场中的通有加热电流的细金属丝来测量风速，此即热线风速仪。金 属丝为热敏元件，通电加热，当风速变化时，金属丝的温度随之变化，从而产生电信 号，电信号与风速之间具有一一对应关系，测出此电信号就可以确定风速。 热线风速仪具有惯性小、频响宽、信号连续、敏感度高和使用方便等优点，它的 出现是实验流体力学进步的一个里程碑。流体力学中的许多成果，特别是湍流中的许 4 第一章文献综述 多重要观测结论与热线风速仪的成功应用密不可分。热线风速仪也被拓展用于温度、 浓度和密度等物理量的测量，在其发展过程中，先后出现了单丝、x 形双丝和三丝探 头，分别用于测量一维、二维、三维速度矢量。但由于探头的影响，流场易受干扰， 流向测量时需要速度和方向标定，操作比较复杂。 2 、激光多普勒测速仪技术( l d v ) 2 3 1 l d v 已有5 0 多年历史，是实验流体力学技术的一个飞跃。它具有高频响、高精 度、不干扰流场，易于判别流向等优点，缺点是信号随机采样，信号不连续，价格昂 贵等等。 l d v 操作过程中，在流场中加入微粒充当随体运动的示踪粒子，当激光入射到 示踪粒子上时，会发生散射现象，可用检测器接受散射光。散射光和入射光的频率差 就是激光多普勒频移。 多普勒频移是速度的函数，测得频移就可以得到速度。现代的l d v 系统均建立 在上述关系之上。随着光纤技术、集成技术、光电技术和计算机技术的发展，已出现 了高频响的光纤集成l d v 系统，以及集成型一维和二维光纤探头，二者组合可以测 量三维速度。现在l d v 正在向微小化、低成本、多功能，便携型方向发展。 3 、粒子图像速度场仪技术( p i g ) p i v 技术已有3 0 多年的历史，它能够测量流体流动空间某一平面上的瞬时速度 矢量场。p w 技术的出现是现代流体力学实验技术的一个重大发展，是流动测试技术 不断发展的产物。目前认为，流体中的湍流是由各种尺度的结构叠加而成的。为了解 流动空间结构，通常需要在同一瞬间记录下整个流场的信息，如果使用6 单点的热线 测速技术和l d v 测速技术，都不能得到令人满意的流动速度场信息。在高湍流流动 中，流动的空间结构不断改变，数据的平均处理过程容易引起流动结构图像的消失， 只有通过p w 技术才能获得各种流动尺度结构的逼真图像i l 引。利用显微镜技术和p w 技术的结合，也可以获得微尺度结构的矢量场。 现代科技的发展是p w 的技术基础。图像处理技术的发展和阵列式计算机的产 生给图像处理提供了实现的可能，粒子图像测速技术的自然延伸和扩大，在这个意义 上，p w 也被称为量化可视化技术。此外，高速数据采集系统、数字式摄像仪、图像 传输系统以及激光技术的发展为p 提供了物质基础【2 4 l 。 4 、平面激光诱导荧光技术( p l i f ) 面激光诱导荧光( p l i f ) 技术是一种新型无干扰流场测试技术，可用于可视化液相 5 北京化t 大学硕上学位论文 ( 或气相) 流场的流动结构，并能够定量地测量浓度场、温度场等信息。p l i f 是化学工 程领域研究传质、传热过程的高级测试技术。其基本原理是利用荧光物质在激光的激 发下吸收特征频率的光子，由基态跃迁至第一或第二激发态中各个不同振动能级和转 动能级。处于激发态的分子不稳定，返回基态时发生荧光。这一激发致光过程在瞬间 完成。而且荧光物质只有在激光的照射下才发光，光强不积累。由于低浓度时荧光强 度与荧光物质的浓度呈线性关系。因此，可以通过检测荧光强度达到测量浓度的目的 2 5 1 o 目前p l i f 技术已成功地用于研究搅拌釜内液液混合【2 6 1 、火焰的流场结构和组分 浓度场 2 7 , 2 8 1 等。并可联合p i v 测速技术，同时获得空间的流场信剧2 9 1 。u n g e r 等【3 0 1 利用激光诱导荧光技术定量地表征了撞击流喷射混合器内流体的混合效率；p a n 等【3 l 】 利用p i v 技术和p l i f 技术同时获得了t 形喷射混合器内的速度场和浓度场分布图； g o r d o n 等【3 2 】利用p l i f 技术测量了小孔错流喷射混合器的浓度场分布情况，为错流式 喷射混合器的设计提供了一定的实验依据。 5 、高速频闪照相与微型摄像技术 高速频闪照相 3 3 , 3 4 】方法和微型摄像机【3 5 】亦被用于研究液体在填料中的流动形态。 结果表明，当转速在3 0 0 - 6 0 0 r m i n 1 ( 1 5 - 6 0 9 ) 时，液体在填料中主要是以表面上的液 膜( f i l mf l o w ) 与覆盖孔眼的液膜( p o r ef l o w ) 的形态流动；当转速达到8 0 0 一 1 0 0 0 r r a i n 1 ( 1 0 嘲以上时，填料中的液体主要是以填料表面上的膜与孔隙中的液滴两 种形式流动。在填料的内缘和转子空腔区，液体主要以液滴的形式存在。b u m s 等【3 3 】 用高速闪频照像的方法对液体在填料中的不均匀分布问题的研究表明，液体在填料中 的分布很不均匀，液体以放射螺线沿填料的径向流动。 1 2 旋转填充床内数值模拟研究 1 2 1 湍流理论与模拟 湍流又称紊流，它是一种很不规则的流动现象，在极不规则的湍流中，流动的最 小时间尺度和最小空间尺度都远远大于分子热运动的相应尺度。由于湍流的流体微团 的不规则运动，或者说它是巨量分子群的平均不规则运动，使得其混合特性十分复杂。 近代，随着高速计算机的出现，各种数学模型的完善和数值算法的更新，计算流 体力学( c f d ) 得到迅速发展，在科学研究和实际工程中已经越来越受到现代科技界和 工程界的重视。世界各发达国家在国防、航空航天、交通运输、冶金和化工、能源和 环境、生物、气象、农业等各种不同的工程领域都开始了广泛利用计算流体力学的知 6 第一章文献综述 识对各种过程进行数学模拟的工作，以计算流体力学( c f d ) 为基础的计算机辅助工 程( c a e ) 技术已进入实用阶段。 计算流体力学是近代流体力学、数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大 生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力 学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。 计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理用数值方法求解非线性联 立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组。这一方法能预报流动、 传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装黄优化和放大定量设计的有力工具。 计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大 程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，不断开拓新的研究课题和研究方向， 在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。 1 、直接数值模拟( d n s ) 自2 0 世纪7 0 年代以来，湍流直接数值模拟就取得了显著的成果。o r z a g 和 p a t t e r s o n ( 1 9 7 2 ) 最早用直接数值模拟计算了各向同性湍流，当时网格数只有3 2 3 ， 相应的雷诺数r 吼= 3 5 。从现代的d n s 水平看，这个算例的网格分辨率还是不够的， 但在当时是了不起的成就。随着计算机的不断发展，目前直接数值模拟各向同性湍流 的最大网格数可达6 8 7 x 1 0 m ，相应的雷诺数r e 九- 4 9 ( 1 0 3 ，数值实验证实了k o l m o g o r o v 理论的部分假赳3 6 】。对于切变湍流，模拟的流动雷诺数还远远低于工程实际中发生 的湍流。以槽道湍流为例，目前能够实现直接数值模拟的流动雷诺数约为1 0 0 0 0 ( r p = u m 月知) 。 直接数值模拟可以获得湍流场的全部信息，而实际测量只能提供有限的流场信 息。例如，流场中的压强脉动至今没有很精确的测量结果，流场中的涡量分布也很难 测得，因此湍流场的涡结构只有流动显示的定性观察结果。而那些很难测量的湍流脉 动量很容易在直接数值模拟的数据库中获得，因此湍流直接数值模拟可以为研究人员 非常细致地研究湍流性质提供可靠的原始资料。直接数值模拟能够获得实时的流动演 化过程，因此它也是研究湍流控制方法的有效工具。利用直接数值模拟的数据库还可 以评价已有湍流模型，进而研究改进湍流模型的途径。 湍流是多尺度的不规则运动，湍流直接数值模拟和层流运动的数值计算有很大的 区别。第一，由于湍流脉动具有宽带的波数谱和频谱，因此湍流直接数值模拟要求有 很高的时问和空间分辨率。第二，为了求得湍流统计特性，需要足够多的样本流动； 如果湍流是时问平稳态，就要有足够长的时间序列，通常在充分发展的湍流中，需要 1 0 5 以上的时间积分步。由于这些特殊要求，需要有内存大，速度快的计算机才能实 现湍流直接数值模拟【3 引。 7 北京化 j 大学硕l 学位论文 2 、雷诺平均数值模拟( r a n s ) 湍流直接数值模拟( d n s ) 不存在模型封闭问题，理论上可以求解所有湍流问题。 但受计算机资源的限制，迄今为止d n s 只能求解低雷诺数的简单湍流问题。最乐观 的估计，大约到2 1 世纪中期以后，用计算机直接数值模拟工程和自然界复杂湍流才 有可能成为现实【3 6 】。即便如此，快速预测复杂湍流统计特性的方法仍然为工程师们所 青睐。比如说，有朝一日可以用直接数值模拟方法计算航天器的复杂湍流流场和它的 气动力与气动热，但是它需要用若干个月才能完成一个工况的计算；而当时用湍流统 计模型的方法可以在几秒钟里计算出符合设计要求的算例，后者自然更受工程师们欢 迎【3 6 1 。 统计模型的目标是封闭雷诺平均方程，而从雷诺平均方程出发，预测湍流的平均 速度场，平均标量场和平均作用力，基于这一层次上的雷诺方程自身不能封闭，必须 建立足够的雷诺应力方程组使得运动方程可解。雷诺应力的主要贡献来自于大尺度脉 动，而大尺度脉动的性质和流动的边界条件密切相关，因此雷诺应力的封闭模式缺乏 普适性，要使雷诺统计平均模型方法成为一种简单而可靠的设计方法，还需要做深入 的研究工作。 3 、大涡模拟( l e s ) l e s 是在湍流的大涡尺度和小涡尺度( k o l m o g o r o v 尺度) 之间选一滤波宽度对 n - 一s 方程进行滤波，把所有流动变量分成大尺度量和小尺度量，对大尺度量进行直 接模拟，而对小尺度量则采用亚网格尺度模型进行模拟。在众多感兴趣的体系中，反 应区具有与k o f m o g o r o v 尺度接近甚或更小的量级，而这些量级的尺度恰恰被l e s 滤 掉了，需要借助模型来模拟。由此，湍流大涡模拟的精确度和有效性就值得怀疑，因 此亚网格尺度模型对湍流的大涡模拟至关重要，这方面已经并将继续需要开展大量的 研列轫。l e s 所需计算量虽比d n s 小得多，但是对复杂的工程流动计算量仍然很巨 大，因此目前主要用于检验统观模型。 4 、湍流的分形模拟( f m ) 湍流是一种典型的分形现象，其k o l m o g o r o v 图像就是大涡套小涡、小涡中再套 更小的涡，这一嵌套结构显然是一种自相似结构【3 8 】。k o l m o g o r o v 理论有两种假设： ( 1 ) 惯性域内的尺度不变性。( 2 ) 作用点( 尺度理论点间，例如可比尺度间的能量转 移) 。另外，紊乱的中断性：某个时间段内才活动导致了过程的间歇性，随着尺度的 变小，分形不断减弱。紊乱在惯性域内有自相似性，在很小的尺度内不连续：根据 第一争文献综述 k 4 1 理论，间断是耗散范围的一个特征，但并不违背惯性域内的自相似性【3 9 1 。间歇、 湍流斑这些拟序结构也表现出统计意义上的自相似性。对于湍流的分形特征，一种解 释是流体中的涡管在运动中不断地拉伸和折叠，根据h e l m h o t z 定理，涡管不能在流 动中消失，只能回避式地折叠。与分子随机运动一样，涡管全部填满空间的可能性为 零，呈不均匀分布，从而形成分形结构【删。曼德布罗特和很多学者都将紊流图象当作 分形的典型实例并做了大量研究工作。文献【4 1 】用实验证明了当系统的控制参数增加到 特定值时，螺旋式的t a y l o r 涡流吸引子的分维将会不连续地突然增加；文献【4 2 】得出 了紊流的等值面、层紊流交界面和耗散结构的分维；文献【4 3 】通过信息熵和极值原理从 理论上推导了耗散结构的分数维；文献m 】研究了几种典型湍流的边界线获得了k 区 的分维；文献【4 5 】对圆形湍流射流和羽流进行了分维结构测量。 湍流的理论分形模型主要集中在间歇模型和湍流扩散上。利用新的湍流尺度【蛔， 可望将湍流模型与分形结合起来，从而改善现有湍流模型的特征，这是湍流模型改进 的一个新方向。湍流在不同层次的生长特征可以与湍流计算结合起来，如果把湍流在 不同尺度的分形特征进一步搞清楚，可以将包含不同分维值的湍流尺度运用于湍流模 型中去，可望改善湍流模型的通用性和模拟精度，这是研究湍流模型的一个值得重视 的方t 2 4 1 。 1 2 2 旋转填充床中的微观混合模型 流体的微观混合对快速化学反应过程有着重要的影响。工业上受微观混合影响的 快速反应过程包括：燃烧反应过程、聚合反应过程、反应结晶过程和部分生化反应过 程。这些快速反应的特征速率通常高于或相当于微观混合速率，在微观混合尚未达到 分子尺度均匀之前，反应就已经发生或接近完成了，也就是说该类反应器在物质局部 离集的非均匀状态下进行。这种局部非均匀性严重影响着反应器的生产能力、操作稳 定性及复杂反应体系的产物分布，同时也是化工放大过程中产生局部效应的主要原 因。因此研究流体的微观混合特性具有很大的工业价值潜力。鉴于对流动状况的直观 认识和某些基础数据的获得，现阶段，旋转填充床内液体混合主要有以下两个模型： 1 、聚并分散模型 聚并分散模型( c o a l e s e n c e d i s p e r s i o nm o d e l ) 最初是由c u r l 4 7 1 提出用来处理液 一液悬浮体系中的微观混合模型，它假设流体宏观混合完全均匀，物流由小尺度的聚 集体组成，并且可以与周围环境流体聚并，聚并率不依赖于时间和化学组成，一旦聚 并，聚集体就会立刻分裂成两个体积相同浓度均匀一致的聚集体。刘骥【4 8 1 采用聚并分 9 北京化t 大学颂i j 学位论文 散模型研究了旋转填充床中的微观混合过程发现：提高转速及增加流量均使离集指数 凰降低。 2 、层状扩散模型 层状扩散模型是一个刻划湍流结构的新模型，这个模型利用湍流场最强激发的间 歇结构( 也称为最高激发态) 的性质，在承认充分发展湍流的极端复杂性的同时揭示了 一种新的简单性，即不同长度尺度和脉动幅度之同的层次相似性。 在层次结构模型中，最强间歇结构与在无序的湍流场中观察到的有很强相干性的 流体力学结构相对应，而层次相似性反映了最强间歇结构与较弱的( 同时也是更混乱 的) 脉动结构之间的层次递推关系，这一关系有时也被称为层次相似律，或b 对称律。 微观混合强烈影响着聚合、燃烧、反应结晶等快速化学反应过程，例如在反应结 晶法制备超细粉时，产品的颗粒粒度大小、分布，乃至形态都受到微观混合状态的影 响，有许多研究者对多种反应器的微观混合状况进行了研究，以开发适合快速反应的 新型反应器。刘骥等 4 8 , 4 9 】采用1 萘酚与氨基苯磺酸重氮盐偶合竞争串联反应体系，对 旋转填充床内的微观混合进行了实验，得到了转速、浓度、流量及体积比f 指含有相 同摩尔量a 、b 的溶液体积比，口) 等对微观混合离集指数的影响规律。结果表明，当a 较小时处于反应控制，微观混合对离集指数施影响很小，x s 主要由液体的初始宏观 分布决定；而当a 较大时处于微观混合控制，但此时进一步提高体积比对施没有影 响；提高转速对微观混合有促进作用，使离集指数骶降低，在微观混合控制区域，提高 浓度、加大流量均使离集指数施降低。通过和其它几种反应器的对比，旋转床具有 更好的混合特性。 有研究者建立了旋转填充床内液体混合模型( 物理模型) ，在总体上采用聚并分 散模型的框架，而总体模型内部则采用层状扩散模型。向阳【5 0 】等结合聚并分散和层 状扩散新的复合式微观混合模型来描述床内液体流动、混合和反应过程，模拟了转速 及流量对离集参数的影响，并进行了实验验证。邱昆玉【5 l 】等建立了一个可行的模拟旋 转填充床内微观混合化学反应过程的数学计算模型，该模型基本反映了床内复杂的化 学过程，两个具有概率性质的参数p 1 和p 2 的引入和有关量的平均使其繁多的组合大 大减少，使得计算量大大减少。 1 3 本课题研究的意义及内容 旋转填充床作为一种性能良好的新型反应器，已经受到了广泛的关注，并被应用 于许多工业过程中。但是目前旋转填充床内高度分散的液体微元在填料丝网所构成的 多孔介质孔道中的流动行为和分散混合机制并不清晰，有待于深入研究。对旋转填充 l o 第一章文献综述 床内的微观混合现象进行研究，有助于填补这方面的空白。同时，旋转填充床内液体 微元的流动行为和分散混合机制可使床内的气液传质模型得到进一步的完善。 结合先前对旋转填充床内液体流动状况的观测结果，在对超重力旋转填充床内流 动状态了解的基础上，进行合适的物理、化学假设，并结合实验，对液膜在填料床内 的湍流混合一反应过程得到了比较好的结果。然而液体微元的破碎微细化，传质界面 的急剧增加以及微元表面的吸附现象等传质和混合效果影响机理和作用规律尚未见 到公开报道。 本课题主要对旋转填充床内的液体形态及其运动形式的微观混合状况进行理论 研究，即对旋转填充床内的微观混合进行模型化，对丝网与液膜之间的破碎促进混合 作用以适当假设，对填充床内的微观流体混合状况予以数值计算测定。 第二章旋转填充床内流体流动的物理模型与数值计算 郭锴【5 2 】和张军【5 3 】通过实验观测发现：在填料层进口端区，液体主要以离散液滴 的形式存在；而在填料主体区，无论在填料丝网上还是在填料空间内，液体微元大部 分以液膜形式存在。因此对液膜流动行为及混合反应行为进行研究，对旋转填料床内 的总体传递现象研究具有十分重要的意义。本章根据本研究室先前的研究成果，从旋 转填充床的结构特点出发，在合理的假设和简化后提出一个用于描述旋转填充床内流 体流动、反应扩散以及微观混合的数值模拟模型。 2 1 物理模型 2 1 1 旋转填充床内丝网结构及液膜流动假设 物理流动模型：填充床内填料层是由一层层横截面为圆形的同轴丝网编制而成， 并且层与层之间都有等距的空间 5 4 1 。两种反应组分同时从填料层最内核的入口喷入， 并且立刻被最内层丝网捕获，随即获得周向速度，与丝网一起转动。在此运动过程中， 反应组分互相接触、反应、扩散与混合并保持连续，直至流出这层填料丝，经由填料 空间，被下一填料层捕获。 图2 1 填料丝网空间结构 f i g u r e2 - 1 i l l u s t r a t i o no fs u p p o s e dw i r el a y e r s 鉴于丝网上液膜流动反应比较复杂，现做如下假设： 1 各层填料丝网网孔及编织