（化学工程专业论文）鼓泡塔内气液两相流动的cfd模拟.pdf

中文摘要 本文使用计算流体力学的双流体模型研究了气液逆流鼓泡塔内的气液两相 运动状况，考察了不同表观气速和表观液速下的气含率分布和液速分布，并通过 脉冲示踪技术，研究了其内的液相返混情况。 双流体模型是建立在连续介质假设基础上的，针对气液逆流鼓泡塔内的流动 状况，将欧拉连续介质模型应用其中，构建了基于e u l e r - e u l e r 双流体体系的气 液两相流动方程，并讨论了气液两相间的相互作用力以及湍流封闭方程。 在流场计算中，发现气含率分布总是塔中心较高，靠近塔壁处较低，而且随 着表观气速的增加而显著增加，但表观液速对气含率的影响不明显：液相在气速 较大、气含率较高的区域发生回流，表观气速影响着液相回流速度，而表观液速 决定着液相回流面积。 在液相返混计算中，得到了示踪剂的r t d 曲线，并利用返混模型对其进行 拟合，得到液相轴向彼克列数p e z ，发现p c z 数基本上随着表观气速的增大而减 小，液相返混程度变大，随着表观液速的增大而增大，液相返混程度减小。 关键词：鼓泡塔气液两相流逆流计算流体力学轴向返混 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ec f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) i su s e dt os i m u l a t et h e f l u i db e h a v i o r si nt h ec o u m e m u r r e n tb u b b l ec o l u m nw i t he u l e r - e u l e rm u l t i p h a s e m o d e l t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts u p e r f i c i a lg a sa n dl i q u i dv e l o c i t i e so nt h eg a sh o l d u p a n dl i q u i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n si si n v e s t i g a t e d t h em i x i n gc h a r a c t e r i s t i ci ss t u d i e da t l a s tt h r o u g ht h ep u l s et r a c e ri n j e c t i o nt e c h n i q u e s e u l e r - e u l e rm u l t i p h a s em o d e li sb a s e do nt h ec o n t i n u u mm e d i u mh y p o t h e s i s a c c o r d i n gt ot h ef l u i df l o wi nb u b b l ec o l u m n ，t h ec o n t i n u u mm e d i u mm o d e li su s e d t ob u i l dt h ee q u a t i o n so f t h et w o p h a s e sf l o w t h ei n t e r p h a s et e r m s o f t h ee q u a t i o n s a n dt h e t u r b u l e n c em o d e la l ed i s c u s s e d i nt h ef l o wb e h a v i o r ss i m u l a t i o n ，t h eg a sh o l d u pd i s c r e a s e sf r o mt h ec e n t e ro ft h e c o l u m nt on e a rt h ew a l l ，a n di ti n c r e a s e sw h e nt h es u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yi n c r e a s e s t h el i q u i dr e v e r s e sw h e r et h eg a sh o l d u pi sh i g h t h es u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t ya f f e c t s t h er e v e r s e dl i q u i dv e l o c i t y , b u tt h es u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t yd e t e r m i n e st h ea r e ao f l i q u i dr e v e r s e d m o r e o v e r , r e s e a r c h e so ni t sa x i a lm i x i n gc h a r a c t e r i s t i ch a v eb e e nc o n d u c t e db y u s i n gb a c k m i x i n gm o d e lt or e g r e s st h er t dc u r v e sw h i c ha r ea t t a i n e di nc f d s i m u l a t i o n t h ep en u m b e rd e c r e a s e sw i t t lt h ei n c r e a s eo f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , b u t i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t y k e yw o r d s ：b u b b l e c o l u m n ，g a s l i q u i dt w op h a s ef l o w , c o u n t e r c u r r e n t ，c f d ， a x i a lm i x i n g 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 符号说明 气泡的加速度，m s 2 相间传质面积，m 1 b o n d 数 无因次浓度 无量纲系数 曳力系数 液相示踪剂浓度，k g m - 3 标准k e 湍流模型中的系数 计算得到的示踪剂浓度，埏m - 3 拟合的示踪剂浓度，k g m - 3 示踪剂进口浓度，m 0 1 m 3 无因次浓度 主流动区液体的浓度，m 0 1 m - 3 滞止区液体的浓度，t 0 0 1 m - 3 示踪剂的初始浓度，m 0 1 m - 3 气泡直径，m 平均气泡直径，m 分布器的孔径。m 反应器直径，m 鼓泡塔的直径m 扩散系数，m 2 s 1 示踪剂轴向返混系数，m 2 s 。 示踪剂径向返混系数，m 2 s 1 示踪剂有效扩散系数，m 2 s 。 示踪剂层流扩散系数，m 2 s 。1 示踪剂湍流扩散系数，m 2 s j 分布密度 曳力，k g m 2 s 之 曳力，k g m - 2 s 五 号 q r 符 凌 ， p |；|q跏q岛q w伊a q q媳妒蛐颤耋耽珥耽功n聊兮b 天津大学硕士学位论文 鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 虚拟质量力，k g m 7 s 。 升力，k g m - 2 s - 2 f r o u d e 数 g a u i l e i 数 湍动能生成项，蚝m 1 s 3 重力加速度，m s 2 塔的轴向高度，m 物理模型高度，m 快流液体所占体积分数 慢流液体所占体积分数 湍流强度， 主流体与滞止区液体( 或快慢流液体) 之间的传质系数，s 。1 传质系数，m s 一 单位体积传质系数，s 1 鼓泡塔高度，m 1 含能的长度尺度，m 附加质量，蚝 脉冲注入示踪剂的总量，m o l 传质单元数 垂直于壁面的向量 无穷远处的流体压力，p a 压力，p a 常压，p a 能量消失速率，p a 轴向彼克列准数 径向彼克列准数 轴向彼克列准数 径向彼克列准数 鼓泡塔的半径，m 雷诺数 传质源相，k g m - 3 s 。 施密特数 湍流施密特数 s h e r w o o d 数 h n劬吒g h h局飓。k局抽l。吕 n k p n 忍心心n r s & 瓯轴 天津大学硕士学位论文 鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 t t d t k u l l l g l 】g o u l u 2 1 l c 甜，( o ) u l o l l g o 略 l l s l i p u d r v w z 希腊符号： g s i a c 。 口r o 0 6 k p g 时间，8 某固定时间，s 无因次时间 平均停留时间 含能涡的速度尺度，m s 1 液相速度，m s 1 气泡速度，m s d 气泡初速度，m 8 - 1 快流体的流速，m s 。1 慢流体的流速，m s 1 有效轴向液体速度，m s 以 塔中心处液体的流速，m s 1 表观液速，m s 1 表观气速，m s 1 表观气速，m s 。1 终端上升速度，m s 1 气泡体积，1 1 1 3 气液两相滑拖速度。m s 1 气相的迁移速度，m s - l 气泡上升速度，m 8 1 单位面积液体的流率，m 3 m - 2 s 以 无因次轴向距离 气相体积含率。 液相体积含率， 快慢流液体间的有效接触表面积，m 2 静持液量与动持液量之比 对比时间 平均气泡速度和平均滑拖速度的夹角 主流体的体积分数 d i r a cd e i r a 函数 湍动能，m 2 s 2 湍流耗散率，m 2 s 3 气相密度，k g m - 3 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模塑 液相密度，k g m 3 浆态相密度，k g m ) 液体的分子粘度，p a s 湍流粘度，p a s 液相湍流粘度，p a s 液相有效粘度，p a s 气相有效粘度，p a s 有效粘度，p a s 浆态相粘度，p a s 表面张力，n 液相表面张力，n 运动粘度，m 2 s 1 固相含率 r 一占模型中的系数 气泡 气相 液相 力的形式 坐标轴 代表坐标方向，i - - - x ，y zj = 】【 y ，z 饥阳肛m：0仇呱体b：f?u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夺方久 签字日期：, 2 0 0 7 年月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫窒盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 李另久 导师签名： 悛数、 签字日期：厶岬年，局衫日 签字日期：7 才潍7 月形日 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 前言 相的概念通常有两种解释，一种是热力学上的定义，指物态而言，如气、液、 固，另一种是动力学意义上的定义，指某一系统中具有相同成分及相同物理、化 学性质的均匀物质部分，彼此有明显分界面。单相物质的流动即为单相流，如气 体或液体流，这是经典流体力学所研究的对象。而多相流不仅以流体的物理性质 区分( 如气一固，气一液，液一固，气一液一固等) ，还泛指以动力学性质区分 ( 如相似粒经的物料可以看作一相) 。 多相流动广泛存在于过程工程的各个方面( 如化工、石油、冶金、热能、矿 业、环境等) 。对于工业用户，反应器的设计、放大、控制和优化要求理解反应 器内的多相流体力学行为；对于研究者，需要理解反应器内复杂流动结构以及各 相之间的相互作用及其各种控制机制。 气液两相流动是指气相和液相同时存在的流动。鼓泡塔内气液两相流动是一 种复杂的两相流动过程。鼓泡塔尽管在结构上非常简单，仅包括塔体和分布器， 但是其内的多相流动以及流动与传质、反应之间的耦合却十分复杂，设计仍然存 在着不可靠的因素。其中最重要的障碍是缺乏对流体流动机理的认识，从而无法 确定鼓泡塔参数与操作性能之间的关系。 目前，对这两者关系的认识仅局限于一些经验关联式，与迫切需要的具有指 导作用的理论基础相差甚远，因在一定程度上限制了鼓泡塔的应用。继续加强鼓 泡塔流体力学的研究，对于它的最优设计、实现理论放大和优化操作、提高生产 率、提高产品质量都具有极其重大的意义。 第一章文献综述 第一章文献综述 气液鼓泡塔是气液两相进行质量、动量和能量传递及化学反应的重要设备。 具有相接触面积大，液体持有量多，传质和传热效率高，结果简单，操作稳定等 特点，并具有在高温、高压下处理腐蚀性和有毒气体的能力。因此，在石油化工、 环境化工、生物化工等领域得到广泛的应用。 1 1 鼓泡塔内气液两相流研究进展 在不同的流型下，气液两相流具有不同的流动特性。通过对不同的流型及流 型之间的过渡进行大量的研究，对各种流型的特征有了一定的认识，但对各种流 型产生的机理和流型过渡的本质并不十分清楚。对两相流动过程的数学描述还仅 仅限于理想化的均匀体系或理想化的分相体系，至今还未形成一个完整系统的理 论模型来描述这一过程。由于理论研究的不足，大多数工业过程的设计还是经验 性的，很多研究工作尚处于实验探索阶段，要揭示本质的规律还有不少差距。 1 1 1 鼓泡塔流型及流型转变 在鼓泡塔内，液相为连续相，气相为分散相。在不同的流型下，鼓泡塔内气 液两相流具有不同的流动特性，随着气速的变化，可将流型为三种：( 1 ) 气泡流 ( b u b b l yf l o w ) ：在较低的表观气速下，塔内气相的运动可被认为是各向同性的， 其特点气体通过分布器均匀有次序地鼓泡，气泡的直径和气泡的分布密度变化很 小，几乎没有气泡的聚并和破碎现象，液相呈轻微湍动，气泡尺寸只取决于气体 分布器的结构和体系的特征；( 2 ) 湍动鼓泡流( c h u r n - t u r b u l e n tf l o w ) ：在较高的 表观气速下，塔内流体产生强烈湍动，气相的运动可被认为是为各向异性的，由 于气泡的聚并和破碎，气泡的直径分布较广，平均气泡直径取决于聚合和破碎速 率；( 3 ) 柱塞流( s l u gf l o w ) ：随着表观气速的进一步增大，流动形态逐渐从以气 泡为离散相过渡到以气柱为离散相，在高气速小直径的鼓泡塔中常有这种流型产 生。( 如图卜1 ) 2 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 气泡流( 均匀) 气泡流( 非均匀) 湍动鼓泡流柱塞流 图卜1不同流型的示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co fd i f f e r e n tf l o wr e g i m e s 流型转变不仅与表观气速有关，而且与塔器的尺寸、结构以及整个体系的 物性有关【。图卜2 给出了鼓泡塔内表观气速和塔径与流型的定量关系【2 1 。 星 ； 薹 墨 霉 o c o l u m n 讲a m e t e rim l 图卜2 鼓泡塔内表观气速和塔径对流型的关系图 f i g 1 - 2f l o wr e g i m e sm a p f o rb u b b l ec o l u m n s 图1 - 2 中三个流动区域的交界是模糊的，这是由于气体分布器的形式、液 体的物理化学性质和液相的流速一定程度上都影响了流动区域地转移。工业鼓泡 塔的操作常处于气泡流和湍动鼓泡流的流动状态。 第一章文献综述 1 1 2 局部气含率的研究 气含率是鼓泡塔反应器中气相所占的体积分率。气含率是表征鼓泡反应塔流 体力学特征特性的基本参数之一，它直接影响鼓泡塔的尺寸和气液接触面积，进 而影响着塔内传质和宏观反应速率，是鼓泡塔工程设计必不可少的重要参数之 一。尽管液相回流在混合、热量和动量传递中起重要作用，而通过径向气含率的 变化更好的理解这些现象，则更能准确的对鼓泡塔进行放大。 1 9 6 0 年，b a n k o f l i 3 】首次对局部含气率分布规律做了研究。他假设速度与局 部含气率的径向分布都满足指数规律，最大值出现在轴心。1 9 6 3 年，l e w 【4 】将单 相湍流混合长度理论推广到气液两相湍流中，预测的峰值也是出现在塔轴心。 1 9 7 2 年，b e a t - t i e 5 j 假设局部含气率与液相速度呈线性关系，然后解两相动量方程， 得出的结论也是峰值在轴心。s e z n z a w a 【6 】对内径为6 0m i l l 的铅垂管中气液两相 流相分布做了更为广泛的实验研究，结果表明含气率的径相分布与气体分布器形 式及气、液流量等因素有关。当气相流量减小到一定程度时，含气率的轴心峰值， 既单一峰值形式逐渐消失，取而代之的是壁面附近的双峰值分布形式( 塔中心区 域分布较为平坦，在靠近壁面的地方有尖峰出现) ，当表观液速进一步增大，流 动为s l u g 流型时，则出现三峰分布形式。目前针对管流雷诺数很大的气液两相 流的实验表明，其气含率径相分布均为双峰形式，有学者认为是强烈的湍流输运 作用驱使气泡集中在管壁附近，继而认为在强烈的湍流流动中，双峰形分布是这 种流动下的特征分布，与气泡尺寸无关。n a k o r y a k o v 【7 在管流雷诺数小于2 0 0 0 的条件下对不同进气方式形成的泡状流的各相参数分布进行了实验研究。当进气 方式为1 8 个直径为0 1 5m l t l 的小孔均匀分布在管道四周时，在各种流动工况下， 形成的气泡平均值径为约2 0 r a m ，得到的含气率径相分布为双峰形。当进气方式 为6 个直径为0 4 r a m 的小孔均匀分布在管道四周时，在同样的流动工况下，形 成的气泡的平均值径约3 7 r a m ，得到的含气率分布为单峰形。由该实验结果可以 看出，在湍动作用不是很强的流动中，气泡尺寸对含气率分布有很大影响。 表观气速对气含率的影响最大，尽管所研究的体系有很大差异，但气含率基 本上都是随着表观气速的增加而增大，而且在气泡流状况下，气含率的增加正比 于气速的增大；而在湍动鼓泡流状况下，影响就没有这么显著。h y n d m a n t 8 】通过 数学公式分析了小气泡和大气泡对整体气含率的贡献，指出在湍动鼓泡流，表观 气速的增大提高整体气含率主要原因是提高了大气泡的含率，而小气泡对整体气 含率的的贡献是恒定的，而且和鼓泡塔内发生流型转变时的贡献相等，也就是说 当气速超过流型转变时的气速后，表观气速的增加对小气泡的含率没有多大影 响，而大气泡的含率随之增大，从而使整体气含率得到升高。而在气泡流，小气 4 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 泡的含率不是恒定的，而是随着表观气速的变化而显著变化。 液相性质对气泡的形成和和结合也有影响，因此也是影响气含率的重要因 素。液相粘度的增加将导致气泡变大，从而使气泡上升速度变大，气含率变小。 如果在液相中加入表面活性剂，将能显著增加气含率的值：另外液相中若有电解 离子或杂质，同样能增加气含率。 表1 1 给出了近年来有关鼓泡塔内局部气含率的经验关联式。 表1 - 1 鼓泡塔内气含率的关联式 t a b l e1 1g a sh o l d - u vr e l a t i o n s h i o si nb u b b l ec o l u m n s 研究组关联式 j o s h i = 0 3 + ，l 2 v g s h a r m a l 9 l o c k e t t 名( 1 - - 6 9 ) + 巧= 圪毛( 1 - - 8 9 户3 9 ( 1 + 2 5 5 s s 3 ) k i r k a t r i c k 1 0 l k o i d e t 】 巳2 3 。+ ( 1 v 兰e v ，= 4 - 5 3 5 e 坤( - 。6 。扩l p = 。1 笋8 s a d a t l 2 】 毛= o 3 2 0 一c g ) 4 b o 蚴g a 蝴乃p g 岛严 k u m a r l l 3 】 巳= o 7 2 8 u - 0 4 8 5 u 2 + o 0 7 5 u 3 , u k 匕 力b ，p l 一& k 驴。2 5 g r o v e 一1 4 】 q = 降) ( 甜6 一盯时5 口= 1 1 1 0 4b = 5 1 0 4 z o u 1 5 铲7 2 8 3 吨1 5 n 5 8 ( 半厂 1 h u g h m a r k 1 6 】 毛2 + ( o 3 5 v g ) ( p t 仃7 2 ) m k a w a g e 占g = 1 0 7 丹1 7 3 m 0 0 - y 0 矗扩7 1 k a w a s e t l 8 】 i 1 + 6 s = o 0 6 2 5 f ，l _ o l g ) 4 a k i t a 南一o 毗例8 ( 警 l ，1 2 击 y o s h i d a 1 9 】 h i l d t a 删s 0 5 吵( 半) “3 0 0 0 1 厂 k i k u k a w a 2 0 】 h i k i t a 2 t 铲7 2 攻铡哪8 嘲彻( 圹( 圹 r e i l l e 严1 = 0 0 0 9 + 2 9 6 v s o 4 4 p 广朋矿j 6 联o j 9 g o d b o l e 2 3 】 s g = o 2 3 9 v 8 0 甜d 盖5 s a d a 2 4 南- - 0 0 1 9 帆，1 2 5 曙。名 s e h u m p e 铲眈( 竽 圳3 ( 警 0 1 l 搔厂 d e c k w 矗2 5 1 s m i t h 2 6 】巳2 2 5 + 降 ( 警) o 3 l 慨严6 - l 2 a = p te x p 百( 5 3 ) 0 s r o y 2 7 】 铲3 s s 圳习 r c r 时广r 加岭5 o o ，= ( w g ，南 k o i d e 2 s i ： 七，魄q 严l ：i c d ，仃? 炉2 ( 1 一毛) 41 + 4 3 5 0 0 7 4 8 一p 1 ) p t 8 8c d 。名p , ) - n 1 6 8 从目前的研究来看，含气率分布状况复杂，影响因素众多，除了气相表观速 度和液相性质外，还涉及到液相的表观速度、气体分布器形式、气孔直径、塔径 等物理量，需要做的工作是对工业规模的鼓泡塔在工业操作条件下的轴向、径向 气含率分布及其和分布器的变化进行详细的研究，为大规模的工业反应器的放 大、设计、工艺优化以及模型定量预测提供数据支持和实验验证。 6 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f i ) 模拟 1 i 3 气泡参数的研究 气泡大小也是鼓泡塔反应器设计与放大过程中必不可少的参数。因此，详尽 了解气泡行为至关重要，国内外学者对气泡参数作了大量的研究。 删2 9 1 等指出，气泡尺寸由整个反应器内的气泡聚并与破碎的动态平衡所 决定。而气泡的聚并与破碎依赖于反应物系的物性、操作条件和局部流动行为。 在给定的管路中，泡状流动的最后状态为稳定、不平衡流动的状态是很少见的。 流体中分离出来的气泡通常倾向于聚结，而失去他们原来的泡状；在蒸发和冷凝 发生时，小气泡的存在只是短暂的。对于单个气泡，气泡在形成与上升过程中受 到气流本身的动量作用，还有浮力的驱动作用，以及周围液体的对流、表面张力、 气泡长大时液体对气泡的反作用力，还有在粘性流体中液体对气泡的阻力等。在 气泡脱离的瞬间，使气泡脱离的力和使气泡附着在孔口上的力相互平衡，有这一 条件可确定气泡的直径。 ( 1 ) 孔口处气泡的形成 气流速度低时，分布器孔径d 。较小时： 。巩= 6 0 ) 0 虿l 0 - i ) 对上式进行改进： 广- 1 1 1 3 去邓i赢g(pt pd i m 2 ， 或 l一。) 2 0l 、7 按照式( 1 1 ) ，c 值为1 1 5 ；但是根据库塔特拉兹( k u t a t e l a d z e ) 和斯蒂里 科维奇( s t y 血0 v i e c h ) 【3 0 1 以及cm l dpi - 10b 等的文献e = l 更符合试验数据。研究 者都发现当孔口的直径与气泡的半径相差不大时，上式就不再适用。 ( 2 ) 泰勒不稳定性 。 在某些情况下，气泡可由气体或蒸汽的膜层( 此膜层覆盖在多孔或受热的表 面上) 中分离出来而形成。虽然这些气泡连续不断的生成，与在较稠密的流体下 面流动的流体的“泰勒不稳定性”【3 1 】的经典情况不同，但是气泡的尺寸可用相同 的无量纲参数估算： r 一 “2 0 r 扣2 l 而p l 丽pl o 3 ) g 【 一 。) l ( 3 ) 因汽化或质量传输形成气泡 气泡也能由围绕液体的蒸发或溶解在液体中的气体的释放而形成。弗里茨 ( f r i z ) 导出的计算当量直径( 具有相同总体积的球直径) 的公式，所谓当量直径 是气泡增大到恰好离开水平表面的直径。如果是接触角的度数，当量直径为： 第一章文献综述 厂 ，r1 2 吃= 0 0 2 0 8 纠_ - i ( 1 - 4 ) l g t p , 一p gj j 对于远离分布装置的气泡直径，r k r i s h n a 3 2 】等人在研究中发现，在表观气 速小于某一定值的各向同性鼓泡区，鼓泡塔内气泡分布均匀，且气泡尺寸随着表 观气速的增大而增大，气泡尺寸变化范围为1 7 m m 。当表观气速大于这一定值 时，大气泡的出现改变了塔内流动状况，在各向异性流动区域，小气泡汇聚成串， 形成大气泡，直径范围为2 0 - - 3 0 r a m 。 气泡形成后将因浮力作用而自由上升，气泡的形状因气泡的大小而异。小气 泡呈球形，气泡大了则被压扁成不同程度的扁形；当气泡直径小于2 m m 时，气 泡保持球形，其上升速度随气泡尺寸增大而增加；当气泡直径在2 5 m m 时，气 泡上升的过程中要发生变形，其阻力有些增加，使气泡上升速度有些下降，气泡 直径再大，又逐渐趋于一不变的稳定值。而r g a i s h n a t 3 2 1 则认为大气泡的上升速 度也与气泡直径有关，具体关系式为： 圪删=( 1 5 ) 虼j 哪。= 0 7 1 g d b j 哪。 ( 1 - 6 ) s c h u m p e 和g r u n d 3 3 】考察了表观气速对大气泡和小气泡上升速率的影响，指 出小气泡随着表观气速的增大而逐渐减小，直到一个稳定值，而大气泡上升速度 一直随着表观气速的增加而增大。 液相性质对气泡性质也有重要影响，有可能对气泡大小产生影响的液相性质 也将对气泡上升速度产生影响。气泡平均直径随着液相表面张力的减少而变小， 随着液相粘度的增大而变大。 1 1 4 传质系数的研究 在鼓泡塔内进行气液两相传质才是这种过程的根本目的。鼓泡塔内分散相 的单位体积的整体传质速率的由液相传质系数k ，口决定，而气相阻力可以忽略。 而液相传质系数k l a 主要取决与相间传质面积，假设气泡的形状为球形，则相间 传质面积口，与气含率占，和平均气泡直径d ，有关，具体关系为： 9 6 占e a 。= 产( 1 7 ) 口j 。 因此气含率的分布和气泡大小的分布决定着相间传质面积。表l - 2 列出对传 质有影响的各种操作参数以及预测相间传质系数的经验关联式。 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 表1 2 气液鼓泡塔的传质系数关联式 t a b l e1 2m a s st r a n s f e rc o c 伍c i e n tc o r r e l a t i o n sf o rb u b b l ec o l u m n s 研究者关联式 o z t u r ke ta l 3 4 】 d 船o 6 l 岛d 柚l 仃l ，八她j t lj 。s 锄= = 。6 2 5 b 。5 - 孓。3 3 - ；，n 6 8 ( 鲁 。m 。4 a k j t a 警一o 倒仉5 降九科1 掣 y o s h i d a 3 5 s h a he ta 1 1 3 6 1 k l a = - 0 4 6 7 v s 。耽 k a w a s e 警d - 4 口4 5 2 斟d 船 4ltd5 f ，t , 旦d t g 、1 ) 一 m o o - y o u n g 3 7 】 h i k i t a 3 8 。 孚州9 降 ”6 一时3 强厂 k a n ge ta l e 3 9 1 k t a = k x l 0 - 3 。s f 华厂k 是关雠数 l， s c h u m p ek t a = k 哆8 2 爹3 9k = o 0 6 3 ( 盐水溶液) ，k = 0 0 4 2 ( 水，0 8 m g r 吼d d 3 】 硫酸钠) k r i s h n a 和v a nb a t e n 3 2 】对操作在各向同性和各向异性下的气液鼓泡塔，发展 了c f d 模型去描述传质过程，单位体积的传质系数k ，口随着表观气速的增加而 增加，这和气含率的变化规律是一致的。 液相粘度对传质系数也有影响。单位体积的传质系数k ，口随着液相粘度的增 加而减小，因为高粘度将导致大气泡含率的增加，而使气液两相的接触面积减小。 1 1 5 液相返混的研究 众多学者对鼓泡塔内的轴向返混进行了大量的实验研究，并对实验数据进行 了一系列的关联。实验结果表明，液相返混系数与鼓泡塔的塔径、表观气速和气 体分布器的关系密不可分，而受液体的表观流速和液体的性质( 如分子粘度、表 第一章文献综述 面张力、密度等) 影响很小【删。但是由于实验研究的方法和实验条件各不相同以 及气液两相复杂的流动，所以对鼓泡塔内返混系数的研究结果也各不相同。如表 1 3 中所示，液相返混系数与气体、液体速度关系比较混乱，即使是相似的实验 条件，所得到的结论也不尽相同。 表1 3 液相返混研究的对比 t a b l e1 - 3c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tr e s e a r c h e s0 1 1l i q u i db a c k m i x i n g 实验设备( r a m ) 操作 研究者 物系主要结论 和流体流速( m s )工况 i 声4 0 6 ，1 0 6 7 逆流 h = 2 7 4 3 ，5 1 8 2 l o w e l l l 4 1 】 和并水和空气 d ：= 1 2 3 d 1 5 “暑0 0 5 u m = o 0 0 2 4 o 0 1 4 流 u g o = 0 - 0 15 2 1 3 = 1 5 0 ，2 0 0 h = 4 4 0 0 ，7 2 3 0 d z 6 7 8 d l 4 u 9 0 0 d e c k f 4 刁 水和空气 t h o = b a t e h l 1 9 0 2 0 0 0 5 d = 1 9 1 ，4 5 7氮气和d z = u 0 j 竹竹00 7 9 0 0 3 2 h = 1 1 5 9 ，1 2 2 0 气液水，丙酮 表面张力和分子粘度对返混系数无 c o v a l 4 3 1 l l i o = o 0 0 2 - 0 0 0 8 7 并流等不同密 影响，但在小直径的塔内，液体密 l l 矿= o 0 0 51 - 0 1 7 3 度的液体 度对返混系数有影响 d = 1 0 0 ，1 9 0 h = 15 0 0 , 2 4 0 0 空气和水 岛= ( 0 1 1 4 + 0 5 2 3 u g 。 7 7 ) d 1 2 5 2 h i k i t a 4 4 1 u r n = b a t c h等液体 认为分子粘度对返混系数有影响 唧0 4 3 - 0 3 3 8 d = 4 0 ，8 0 ，1 6 0 气泡流： h = 2 0 0 ，2 5 0 ，3 0 0d z = 7 5 4 d 2 9 0 0 12 + 1 7 0 0 0 d h o h k i 4 5 】 水和空气 u l o = b a t c h 耦合气泡活塞流： 叼卸- 0 2 5 见= 0 1 4 d ( 1 一占。) m a g n u s s e nd ：4 0 ，1 0 0 0气液 d z = d “善吾3 水和空气 【删 u g o = o 0 1 0 1 逆流 n o b u y u k i1 3 = 7 0 ，1 5 0气液轴向返混系数随着表观液速和表观 水和空气 h i d a k a i 卅 h = 4 2 5 0 ，2 6 0 0逆流气速的提高而增大 1 0 天津大学硕士学位论文 鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 u = 0 - 0 1 5 u 一0 2 - 0 3 d = i1 4 ，1 9 0 ，2 9 2 轴向返混系数随着表观气速的提高 y a n g 4 8 】 水和空气 h = b a t c h 而增大 对液相返混数据进行数学模拟是得到表征液相返混程度参数的重要手段。常 见的描述液相混合的数学模型有： 如下： ( 1 ) 一维单参数扩散模型 此模型由d a n c k w e r t s 4 9 1 首先提出，形式类似于费克定律，模型方程如下： a c l1a 2 c a c 可2 z 万一可 ( 2 )一维二参数有滞止液体的扩散模型 h o c h m a n 5 0 1 等人相继提出了一维二参数有滞止液体的扩散模型，其表达式 学饥誓+ o 卅鲁= 。 ( 1 - 矿) 百a c 2 + k ( c 2 一c 1 ) = o ( 3 ) 一维三参数有滞止液体的扩散模型 ( 1 - 9 ) v a ns w a a i j t 5 1 1 等提出了一维三参数有滞止液体的扩散模型，数学表达式为： i 1 可a 2 q 一知等堋) - 0 等+ 告( c 2 - c 1 ) = 。 ( 4 ) 一维二参数扩散模型 此模型由b e 曲e 位 5 2 1 提出，表达式为： 上耸一堕一t 。, t f 垒一坠：o p e ：a z 2 a za ta t ” ( 5 ) 一维二参数快慢流模型 ( 1 一l o ) 第一章文献综述 l c r o u 5 3 1 提出了一维二参数快慢流模型，该方程为： 仁萼-+睾-=k鹕,(q-啕q) 拂耻鲁 = 鲁 ( 6 ) 一维流动二维混合扩散模型 此模型的表达式如下【蚓： 百o c = 见可0 2 c + d r 可0 2 c + 吾等) _ 篆 ( 7 )二维流动三维混合扩散模型 ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) 该模型3 - 程如下【5 5 】： 鲁帆篆心善一4 等一q 等一见窘= 。 m ，4 ， 以上模型中的参数都是通过物理示踪法测定液体的停留时间分布而估算出 来的，即采用一种容易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定 的流动系统，通过观察该示踪剂在系统出口的浓度随时间的变化，来确定物料的 停留时间分布。 1 2 气液两相流c f d 数值模拟方法 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是指利用数值方 法通过计算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定 常流体运动的空间物理特征和非定常流体运动的时空物理特征的学科。它将求解 区域和偏微分方程离散化后，可求得各个离散点( 空间或时间) 的数值解。 计算流体力学已成功应用于单相流动的模拟计算，然而一般来说，很难直接 将适用于单相流的计算流体力学理论简单地推广到两相及多相系统。在多相系统 中，局部地惯性不稳定性可导致多尺度非均匀结构地产生。尽管两相及多相流动 1 2 天津大学硕士学位论文鼓泡塔内气液两相流动的c f d 模拟 由于其内在流动结构呈现复杂性，但是c f d 模拟已成为研究气液两相流动的重要 手段，对此常用的处理方法大致有三类【5 6 】： 1 2 1 平均方法 平均方法是建立在连续介质假设基础上的，将离散相看做“拟流体，对于 两相流又称为双流体模型。模型中气相和液相均被视为连续介质，两种介质在空 间连续分布而且可以相互渗透，不同的相可以在同一时间内存在于空间的同一位 置，在空间某一个点上气相和液相各以一定的概率出现，其表征量为相的分布参 数一一气含率和液含率，各相流体的运动规律按照各自的控制微分方程，相间存 在动量、能量以及质量的相互作用，两相间相互作用的描述则依赖经验公式。由 于在数值计算中，时间及空间步长都是有限的，不能无限小，所以连续介质模型 需要在微观足够大和宏观足够小的尺度上进行平均化。 由此可见，单相流体力学的研究成果，尤其是湍流模式理论可在两相流双流 体模型中得到应用。i s h i i 5 7 1 、s o o 5 酗、d e l h a y e 5 9 1 等采用拟流体模型建立两相流方 程组。他们所用的方法基本类似，首先建立每一相的局部瞬时运动方程和相界面 的间断关系，然后采用某种平均方法得到平均意义上的两相流运动方程和相间作 用表达式。 1 2 2 直接模拟方法 为了准确模拟复杂流动的宏观行为，必须从更小的尺度上入手，这既是建立 模型本构关系的需要，更是探索系统本质机理的需要( 删。 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 是用传统的有限差分或有 限元等方法直接数值求解n a v i e r - s t o k e s 方程，它在单相湍流中已有较多应用， 但是对于多相流体系，还有如何处理其中大量的运动界面的问题。非结构化可使 气泡与网格的边界重合，从而简化微元内的处理，但这使得网格要随气泡的运动 而频繁地重新生成；结构化网格将使在微元内存在物性完全不同的流体，必须采 用结构化网格加上在界面上特殊节点的方式，如数值扩散界面( 如v o f 方法) 、 物理扩散界面、自由界面等。 n a v i e r - s t o k e s 方程所涉及的流体物性均取决于其组成分子的性质，对常见的 牛顿流体，分子动力学已将它们提炼成分子直径( d ) 或势函数( h ( r ) ) 、数函 数( n ) 、质量( m ) 、均方根速度( v ) 等少量经典力学的简单属性与运动状态， 并能定量预测或设计相应的物性或分子属性。因此可将以偏微分方程表示的 n a v i e r - s t o k e s 方程转化为分子在周围多个分子形成的保守力场中运动的常微分 第一章文献综述 方程，从而通过模拟大量分子的行为直接模拟流体的运动，这就是分子动力学 ( m o l e c u l a rd y n a m i c s , m d ) 方法。 直接模拟m o n t ec a r l o ( d s m c ) 可视为m d 方法的变种，它首先令所有分 子自由飞行一段时间后选择几对分子进行抽样碰撞，使之足以代表该时段的所有 实际碰撞，然后重复以上步骤。这在稀薄气体和微流动的模拟中得到应用。 d s m c 方法说明合理简化分子运动的物理图景可保持相同的流动行为而提 高模拟效率，格子b o l t z m a n n 方法也是基于此思想而建立的，这在多孔介质流和 颗粒悬浮等低雷诺数流动中应用日益广泛。 1 2 3 耦合方法 通过上述两类方法的某种耦合还可以衍生出很多实用的模拟方法。如耗散粒 子动力学( d i s s i p a t i v ep a r t i c l ed y n a m i c s ，d p d ) ，其中的粒子因具有粘度和非弹性 等流体微元才具有的宏观性质而比流体分子复杂，但它们依然是物质交换、离散 和脉动的，因而比流体微元更复杂。欧拉一拉格朗日( e u l e r - l a g r a n g e ) 方法可 以看做双流体与离散单元法的结合，该模型直接从n s 方程和气泡瞬态动量方程 出发，考虑流体湍动对气泡的作用，在连续相的控制方程中相问的相互作用以源 项的形式出现，对连续相采用欧拉方法，对离散相采用拉格朗日方法，用m o n t c a r l o 法计算轨道及沿程的变化经历。 实际上按照文献【6 i 】中提出的划分，所谓描述型( 在同一模拟的不同时空区域 采用不同尺度的描述) 和关联型( 由小尺度模拟为上一尺度的模拟提供本构方程) 的多尺度方法，目前大多数是通过这种耦合方式实现的。 1 3 双流体模型在鼓泡塔中的应用 鼓泡塔反应器内计算流体力学的发展经历了两个阶段：时均、稳态参数的求 解与预测阶段和局部、瞬态参数的求解与预测阶段。化学工程学科整体发展方向， 使得从局部、微观、瞬态的观点出发来定量模拟多相反应器的流动、传质和反应 行为已成为多相流反应器模型化发展的一个新趋势。自上世纪9 0 年代以来，针 对鼓泡塔内气、液两相湍流流动，新的多相湍流模型被相继提出，并为实验所验 证。这种对多相反应器内复杂的微观传递机理所作的理论工作，无疑将为鼓泡塔 反应器模型设计、放大及控制的研究注入新的活力。 双流体模型是基于平均方法的多相模型，目前在鼓泡塔中得到广泛应用，如 表1 _