气升式内环流反应器流场及传质特性数值模拟

第３４卷第５期　２００６年５月　化学工程　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ）　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．５　Ｍａｙ　２００６　气升式内环流反应器流场及传质特性数值模拟　薛胜伟，尹侠　２１０００９）　（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京摘要：采用双流体模型和气液二相流体动力学理论建立了气升式环流反应器流体流动的数学模型，在此模型的基　础上利用溶质渗透理论和各向同性湍流理论建立了局部液相体积传质系数数学模型。采用计算流体软件Ｆ１　。ｎｔ　对气升式环流反应器内气液二相流动状况进行模拟，模拟结果较好地解释了气升式环流反应器内的流动行为及传　质特性。模拟计算值与文献实验值的吻合说明了模型的可行性。　关键词：气升式环流反应器；计算流体力学；双流体；传质　中图分类号：ＴＱ　０２１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－９９５４（２００６）０５－００２３－０５　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｂｅｈａｖｉｆｏｒ　ａｎｄ　ｍａｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ａｉｒｌｉｆｔ．１ｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒ　ＸＵＥ　Ｓｈｅｎｇ－ｗｅｉ，ＹＩＮ　Ｘｉａ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００９，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａｉｒｌｉｔｆ－ｌｏｏｐ　ｒｅａｃｔｏｒ（ＡＬＲ）ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｗｏ．ｌｆｕｉｄ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ　ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ｌｉｑｕｉｄ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｍａｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ　ｗａｓ　ｆｓｅｔ　ｕｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｌｕｅｎｔ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｍａｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ＡＬＲ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｌｉｔｅｒａ．　ｔｕｒｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＬＲ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｔｗｏ－ｌｆｕｉｄ；ｍａｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　气升式环流反应器ＡＬＲ（Ａｉｒｌｉｔｆ　Ｌｏｏｐ　Ｒｅａｃｔｏｒｓ）　模型。采用计算流体软件Ｆｌｕｅｎｔ对ＡＬＲ内气液二　相流动状况进行模拟，预测了反应器内部的局部传　质特性，并将模拟值与文献值进行比较。　１数学模型的建立　具有结构简单、操作方便、流型规整、特别是不需要　机械搅拌就能得到良好混合效果和较高传质系数的　优点，广泛地应用于生物、环境及化学工业…。　关于ＡＬＲ的流体动力学模型的研究，大都结合　特定的反应器进行经验参数的关联，这些模型的适　应性较差。体积传质系数是评价ＡＬＲ性能和放大　双流体模型是将气液二相都看成是充满整个流　场的连续介质，整个流场为气液二流体各自的运动　和相互作用的综合。２种流体的运动规律遵守各自　设计中的重要参数，通常由实验数据来得到全局液　相体积传质系数的经验关联式，对于ＡＬＲ体积传质　系数的模型研究并不多。近年来，由于计算流体力　学（ＣＦＤ）方法飞速发展，获得ＡＬＲ内部流动状况的　详细信息成为可能　Ｊ。本文采用双流体模型和气　液二相流体动力学理论建立了ＡＬＲ流体流动的数　学模型，在此模型的基础上利用溶质渗透理论和各　的控制微分方程，二相之间存在着质量、动量的相互　交换。　１．１控制方程　根据ＡＬＲ的流动情况，作如下假设：①在流动　过程中液体没有发生相变、热传递和化学反应；②流　动为不可压缩的等温流动，湍流是各向同性的；③气　液二相的密度为常数。描述二维流动的偏微分方程　向同性湍流理论建立了局部液相体积传质系数数学　作者简介：薛胜伟（１９７２一），男，硕士生，工程师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｅｓｅａｎ＠１２６．ｃｏｍ；尹侠，通讯联系人，电话：（０２５）８３５８７２９９。　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２４・　化学工程２００６年第３４卷第５期　组可以写成通用微分方程（１）的形式。　（１）控制方程组的具体表达式。方程组中各常数取　啬（　）＋毒（　咖　）＝毒（　等）＋Ｊｓ｝　（１）　值为［３　３　Ｃｌ＝１．４４、Ｃ２＝１．９２、ｏｒ　＝１．０，ｒｏ　＝１．３、　＝０．０９。体积方程为　＝式中，　为ｋ相的任一物理量，，｝为ｋ相的扩散系　数，Ｊｓ｝为ｋ相的源项，　为ｋ相体积分率。表１为式　其中　ｇ＋　Ｌ＝１。　Ｊ　Ｖ　Ｉ　ｄＶ　（２）　表１双流体模型方程　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｗｏ－ｌｆｕｉｄ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　１．２相间动量传递　气液二相之间的动量传递Ｍ主要是由曳力、升　力和附加质量力引起的。　Ｍ　＝一帆　Ｍ　＝Ｆ　＋Ｆ　＋Ｆ　项。　（３）　（４）　１．３气泡直径的估算　影响ＡＬＲ特性的最基本因素是气泡的运动。　文献［４］将气泡直径考虑为常数，从而不能真实地　反映反应器内流场和传质特性的详细情况。在密集　鼓泡操作下，实验表明气泡大小与表面张力和液体　粘度有关，而与气体的物理性质流动系统的几何特　性无关　。在实际流动中，考虑到“壁效应”聚并和　式中，Ｆ　为阻力项，　为升力项，　为附加质量力　（１）阻力项Ｆ　阻力是二相间的主要作用力，　粘性的影响，密集鼓泡操作下平均气泡半径的计算　式　如下：　很多文献中计算相间的作用力时只考虑了这一　项　］。本文采用Ｓｃｈｉｌｌｅｒ　ａｎｄ　Ｎａｕｍａｎｎ的对称模型　来表示单位体积的相间阻力：　Ｄ　－０．７５　＼　２　Ｊ　ｄ　：５＝５．１２（、　１　）Ｐ　　’　０・　ｆ（　１占ｍ　占州　ｇ　、　Ｌ　（７）　（５）　１．４　局部液相体积传质系数Ｋ¨．　数学模型　Ｋ　是物理性质和反应器几何条件的函数，根　据纯理论基础得出的有用的计算模型是很困难的。　因此，通常由实验数据来得到经验关联式。本文在模　拟ＡＬＲ内气液二相流场的基础上，利用溶质渗透理　式中，　『２４（１＋０．１５Ｒｅ。埘）／Ｒｅ　Ｒｅ≤１　０００　Ｇｄ　１０４　．Ｒｅ＞１　０００　（２）升力项Ｆ　升力作用于粒子主要是由于主　相流场的速度梯度。对大的粒子，升力更重要。　ＡＬＲ气泡的直径为１—５　ｎｌｎｌ，气含率一般在１０％左　右，因此忽略升力项对气液二相相互作用的影响。　（３）附加质量力项　由于气相的密度远小于　液相的密度时，虚拟质量对气液二相相互作用影响　论和各向同性湍流理论建立了局部液相体积传质系　数数学模型，从而得到反应器内液相体积传质系数　的分布。　根据溶质渗透模型假设，液相传质系数　２　（８）　是重要的。本文采用Ｄｒｅｗ．Ｌａｈｅｙ公式　来表示单　位体积的相间附加质量力：　在微观上，溶质渗透时间下。是由流体的湍流旋　涡强度决定的。各向同性湍流理论通过特征旋涡长　度Ｌ和脉动速度　来表征旋涡特性。溶质渗透时间　为旋涡长度和脉动速度的比值。　Ｆ　－０．５　（　一警）　（６）　维普资讯 http://www.cqvip.com

薛胜伟等气升式内环流反应器流场及传质特性数值模拟　・２５・　：（　）÷　（９）　（１０）　象进行网格划分，网格数６　６４３个，采用Ｆｌｕｅｎｔ　６．１　对所建立的数学模型进行求解，ＳＩＭＰＬＥ算法求解压　力一速度耦合，动量、能量、湍流动能和湍流耗散率的　离散格式均取一阶迎风差分格式；壁面附近采用标　准壁面函数方法处理。　Ｍ＝（　）　１　在气液相界面上，气液比表面积　由下式确定：　一　㈩　非稳态方程求解的时间步长：时间步长０．００１　ｓ　直到获得稳定的流场。　将式（７）一式（１０）联立与式（１１）相乘得到预　测ＡＬＲ局部液相体积传质系数的模型方程：　一　√２１　Ｔ　、　警１／　Ｏｂｖ　＼　６，ｇ　　（１２）　２模拟对象及边界条件　２．１模拟对象　为了和文献值比较，反应器的结构与文献［４］　相同，其主要结构参数如图１所示。液体采用水，气　体为空气。反应器初始液位为２．５　ｍ。　压力出ｎ　ｏ　Ｉ９ｍ／３８｝Ｉ）９格　７５ｍ／Ｉ　５Ｍ格　速度进ｎ　图１气升环流反应器结构示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ａｉｒｌｉｆｔ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　２．２边界条件　柱坐标系下描述二维轴对称非稳态流动边界条　件为　（１）进口：气体进口速度　＝０，　＝０．１　ｍ／ｓ。　（２）出口：设为自由边界　＝０。　Ｏｘ　（３）中心轴（ｒ＝ｏ）：譬＝ｏ，　，＝０。　ｏ，　（４）壁面（ｒ：Ｒ）：　：０，　，＝０。　３计算方法　在柱坐标系下采用结构化四面形网格对模拟对　由于采用的数学模型是设定流场为紊流状态，　在ｔ＝Ｏ时流场为层流，此时采用紊流的数学模型进　行模拟将产生很大的误差，因此有必要将流场进行　初始化。上升管液体向上的流速为０．０５　ｍ／ｓ，降液　管液体向下的流速为０．０５　ｍ／ｓ，液体的气含率为　５％。所用ＣＰＵ为ＡＴＨＬＯＮ１７００、内存为２５６　Ｍ时，　计算５Ｏ—６ｏ　ｈ收敛。　４结果与分析　通过模拟计算，得到了ＡＬＲ内二相流体的流动　状况。首先对模拟计算结果进行定性分析，得到环　流反应器内的流动机理；而后将模拟计算值和文献　实验值进行比较，验证数学模型的正确性。　，从图２可以看出在上升管中气含率较高气液混　一　合物的平均密度小，在下降管中气含率低混合物的　平均密度比上升管中的平均密度大，在降液管和上　删～●　圳　　　删　升管之间形成了静压力差，从而实现了循环流动。　图２气含率分布　Ｆｉｇ．２　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｈｏｌｄｕｐ　从图３、４中可以看出，在喷嘴附近，由于气体的　喷射和气体膨胀做功对混合物的作用力较大，气液　二相的速度分布呈现为在管中心处速度大、在其余　地方速度小的分布，因此这一区域可称为喷射区。　在此区域能量耗散较大，湍流强度高，气液混合激　８　６　４２呲　２　眦　２　～维普资讯 http://www.cqvip.com

・２６・　化学工程２００６年第３４卷第５期　烈。在喷射区以上，随着喷射作用和气体膨胀做功　对气液混合物的作用力变小，流体射流宽度变宽，逐　渐发展到上升管壁，因此在这一区域气液二相的速　度分布比较均匀，同时速度也比在喷射区时小，这一　区域可称为管流区。　ｌ　３０ｅ＋００　ｌ　ｌ　７ｅ＋００　ｌ　０４ｅ＋００　９　ｌＯｅ一０ｌ　７　８０ｅ－Ｏｌ　６　５０ｅ一０ｌ　５　２Ｏｅ一０ｌ　３　９０ｅ一０ｌ　２　６０ｅ－Ｏｌ　ｌ　３０ｅ－Ｏｌ　０　ＯＯｅ＋Ｏ０　图３液体速度分布　Ｆｉｇ．３　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　图４气体速度分布　Ｆｉｇ．４　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒ　ｖｅｌｃｏｉｔｙ　从图５可以看出气液传质主要发生在上升管　中，这是由于上升管中的气液混合物在分离器中实　现气体和液体的分离，降液管中的气含率很低，气液　界面的比表面积也很低，因此，降液管中的液相体积　传质系数几乎为０。在上升管的喷射区液相体积传　质系数出现最大值，这是由于在喷射区，气液强烈混　合，湍流强度高，气相的滑移速率大，单位质量能量　耗散较大，因此喷射区的气液传质性能高于反应器　的其他区域。　ｌ　ＯＯｅ＋００　９　ＯＯｅ－Ｏｌ　８　ＯＯｅ－Ｏｌ　７．ＯＯｅ－Ｏ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　９　７　５　３　ｌ　Ｏ　∞　∞　∞　∞　∞　叭　川　川　川　川　伽　呱　｝　｝　｝６　ＯＯｅ－Ｏｌ　　＋　＋　一ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　ｅ　一　∞　盯　　一　ｅ　一　一　＋　∞　５　ＯＯｅ－Ｏｌ　４．ＯＯｅ一０　ｌ　３　ＯＯｅ一０ｌ　２　ＯＯｅ－Ｏｌ　ｌ　００ｅ一０ｌ　ｌ　５９ｅ－０４　图５液相传质系数分布　Ｆｉｇ．５　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｔｌｉｃｉｅｎｔ　图６、７分别为上升管中气含率、降液管中液体　循环速度和上升管中液体循环速度本文模拟结果和　文献［４］实验结果的比较。由图可见，计算结果与　实验结果的误差小于士２０％。从以上看来，整个模　型是合理且可靠的。　辫　抽　她　图６气含率模拟值与文献值比较　ｉＦｇ．６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｈｏｌｄ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　ｄａｔａ　ｗｉｔｈ　ＣＦＤ　图７液体速度模拟值与文献值比较　ｉＦｇ．７　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆｌｉｕｑｉｄ　ｖｅｌｃｏｉｙｔ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　ｄａｍ　ｔＩ１　ＣＦＤ　维普资讯 http://www.cqvip.com

薛胜伟等气升式内环流反应器流场及传质特性数值模拟　・２７・　５结论　应用双流体模型和气液二相流体动力学理论建　立了ＡＬＲ的数学模型。模拟结果表明：　体积分数　ｓ湍流耗散率，ｍ　／ｓ　剪切粘度，ｋｇ／（ｍ．ｓ）　（１）由于上升管和降液管中的气含率不同，在　降液管和上升管之间形成了静压力差，以及气体喷射作用是ＡＬＲ内流体循环流动的推动力。　（２）在正常操作条件下，ＡＬＲ的气液传质主要　发生在上升管中，且在喷射区液相体积传质系数出　湍流粘度，Ｐａ．ｓ　Ｐ密度ｋｇ／ｍ，　通用物理量　，表面张力Ｏ＂ｋ、　，Ｎ／ｍ　Ｐｒａｎｄｔｌ数　现最大值。　（３）不同表观气速下的模拟结果和文献实验结　果的比较说明二者是吻合的，进一步验证了模型的　可行性。符号说明：　下标　ｇ气相　ｋ第ｋ相　Ｌ液相　ｍ　昆合相　Ｃ。、Ｃ　、　湍流模型计算常数　参考文献：　［１］　张永利，刘永民，张红．环流反应器研究进展［Ｊ］．辽宁　化工，２００２，３１（９）：４１０－－－－４１４．　Ｃ　曳力系数　Ｄ扩散系数，ｍ　／ｓ　ｄ　气泡平均直径，ｍ　Ｆ相间作用力，Ｎ　Ｇ平均速度梯度引起的湍动能产生项　ｇ重力加速度，ｍ／ｓ　［２］　林文才，毛在砂，陈家镛．气升式环流反应器中的流动　力学研究（Ｉ）一维两流体模型［Ｊ］．化工学报，１９９５，　４６（３）：２８２－－２８９．　［３］　陶文铨．数值传热学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版　社，１９８８．４３１　３９．　ｋ湍流脉动动能，ｍ　／ｓ　ｋ　液相传质系数，ｍ／ｓ　相间的动量传递　Ｐ压力，Ｐａ　舶雷诺数　Ｓ源项　［４］　Ｖａｎ　Ｂａｔｅｎ　Ｊ　Ｍ，Ｅｌｌｅｎｂｅｒｇｅｒ　Ｊ，Ｋｒｉｓｈｎａ　Ｒ．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ａｉｒ－ｌｉｆｔ　ｒｅａｃｔｏｒｓ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｖｅｒｓｕｓ　ＣＦＤ　Ｓｉｍｕ．　１ａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００３，　４２：７３３—－７４２．　［５］Ｊａｙａｎｔａ　Ｓａｎｙａｌ，Ｓ￣ｒｇｉｏ　ＶａＨ　ｓｑｕｅｚ，Ｓｈａｎｔａｎｕ　Ｒｏｙ，ｅｔ　１．ａ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ・ｌｉｑｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｉｎ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｍ　速度分量，ｍ／ｓ　Ｉ／流体体积，ｍ　流体速度，ｍ／ｓ　坐标方向　ａ比表面积，ｍ一　ｂｕｂｂｌｅ　ｃｏｌｕｍｎ　ｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉ—　ｅｎｃｅ，１９９９，５４：５　０７１—５　０８３．　［６］Ｄｒｅｗ　Ｄ　Ａ，Ｌａｈｅｙ　Ｒ　Ｔ．Ｉｎ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｔｗｏ—Ｐｈａｓｅ　Ｆｌｏｗ　［Ｍ］．Ｂｏｓｔｏｎ：Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ—Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ，１９９３．５０９—５６６．　［７］郭烈锦．两相与多相流体动力学［Ｍ］．西安：西安交通　大学出版社，２００２．３７８—４３９．　２００６年工程建设项目信息　在我站技术委员单位及技术委员的大力支持下，“２００６年工程建设项目信息”已编制完成，该信息包括　有关工程公司设计院的工程建设项目４６０余条，给出了工程项目名称、建厂地点、设计阶段以及部分项目的　联系人、工程招标情况。该项工作是中心站及中心站技术委员会为行业服务的内容之一，对中心站的定点生　产企业及长期合作单位进行免费赠送。中心站将通过各种方式开展这项服务工作，为工程建设与生产企业　之间的信息沟通发挥桥梁作用，把质量优良、技术先进的产品推荐给工程建设单位，为保证工程建设质量及　进度做贡献。需进一步了解项目信息的单位及个人可按本刊地址或通讯方式联系。　联系人：卫兵兵　全国化工化学工程设计技术中心站　２００６年４月