论文总字数：17019字

摘 要

计算流体动力学（CFD）模拟以成本低，使用方便等优点在反应器的优化设计与应用中占据重要地位，成为气液两相流分析的一个重要工具。CFD模拟与实验研究结合可以更好的了解反应器中的流体动力学行为。

本文以ANSYS Fluent16.0作为CFD模拟工具， 分别采用Euler、VOF、Mixture三种模型在600 L/h气体流量下对气升式外循环反应器进行模拟分析。模拟结果显示，但VOF模型下的模拟数据相比实验数据偏小，Euler模型下的600 L/h气体流量下气含率为0.079与实验值0.092误差最小。Euler模型中加入PBM模型后，气含率得到显著提升在600 L/h气体流量下气含率为0.096，更加接近实验值。对优化后的气升式反应器进行动力学模拟分析。模拟结果表明，三级隔板的反应器相比于无隔板反应器气含率提升了27%，湍流强度增强了近两倍。0.4-1.1 m3/h气体流量，经过直角气液分离管改进后的反应器相比原反应器可以有效提高循环液速168.8–400.0%，因为循环液速的增加，导致气升区气泡的停留时间变短，气含率降低22%。

关键词：气升式 外循环 计算机流体力学 聚丙烯酰胺

Abstract

In this paper, ANSYS Fluent16.0 was used as CFD simulation tool, and Euler, VOF and Mixture were used to simulate the airlift external circulation reactor at 600 L / h gas flow. The simulation results show that the simulation data in the VOF model are smaller than the experimental data, and the air holdup at 0.078 g / h gas flow rate under the Euler model is 0.079 and the experimental value is 0.092. After adding the PBM model to the Euler model, the gas holdup rate was significantly improved at 600 L / h gas flow rate of 0.096, which was closer to the experimental value. The dynamic simulation analysis of the optimized airlift reactor was carried out. The simulation results show that the reactor has a 27% increase in the gas holdup and the turbulence intensity is nearly twice as high as that of the non - partition reactor. 0.4-1.1 m3 / h gas flow rate, through the right-angle gas-liquid separation tube after the reactor compared to the original reactor can effectively improve the circulating liquid flow rate of 168.8-400.0%, because the increase in circulating liquid speed, resulting in air bubbles rise The time is short and the gas holdup is reduced by 22%.

Key words: airlift external loop computer hydrodynamics HPAM

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 气升式反应器介绍 1

1.2.1 气升式反应器的分类 2

1.2.2气升式反应器研究现状 3

1.3本文的研究目的及主要内容 4

第二章 计算流体动力学（CFD） 6

2.1流体力学模型介绍 6

2.2 Fluent软件介绍 6

2.3多相流模型 6

2.3.1 Euler模型 6

2.3.2Mixture模型 7

2.3.3 VOF模型 7

2.4 湍流模型 7

2.5气泡群平衡模型（PBM） 8

第三章 气升式循环反应器多相流模拟 9

3.1 概述 9

3.2 反应器网格网格 9

3.3 多相流模型设置 9

3.4 控制方程 9

3.5 不同湍流模型模拟下的气含率 10

第四章 聚丙烯酰胺的降解 19

4.1 概述 19

4.2 实验部分 19

4.2.2 实验原料与设备 19

4.2.3 臭氧氧化聚丙烯酰胺 20

第五章 结论与展望 22

5.1 结论 22

5.1.1气升式外循环反应器的气液两相流模拟 22

5.1.2 聚丙烯酰胺（HPAM）的降解 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 27

第一章 文献综述

1.1 选题背景与意义

气升式外循环反应器（external loop airlift reactors，ELALR）是基于鼓泡床改进发展而来的一种新型反应装置。将鼓泡床及搅拌釜两者特性结合，具备简单构造、无需机械搅拌部件、相间接触好、体积传质系数较大和能量消耗低以及能量利用率高等优点，而由于气体和液体的物理性质，反应器几何形状以及多相流模型的多样性的限制，ELALR的设计优化和放大仍是当前面临的一个重要难题^【1】。因此，对ELALR内部流态进行模拟，检测其内部流场信息，并对其内部的传质性能进行深入研究十分重要^【2-5】。

ELALR由于其设计灵活性，低功率需求以及质量和热传递的优点，对化学工业和生物技术的使用非常有吸引力。该反应器的更显著的优点是控制液体循环。

过去十年来，多相流的CFD模拟得到了快速发展，并应用于多相流系统中的对气-液，气-液-固流体动力学的研究^【6-7】。CFD模拟与实验研究相结合可以更好的了解反应器中的流体动力学行为。本研究通过采用CFD模拟软件对气升式外循环反应器的内部流场信息进行检测，优化反应器的结构参数，达到反应高效节能的目的。并希望本研究能更好的为气升式外循环反应器的优化提供主要依据和CFD模拟思路。

1.2 气升式反应器介绍

升式反应器（AR）是一种特殊类型的改良性气泡塔。内循环气升反应器在结构上分为两部分，包括气升管(Riser)和降液器(Downcomer)。 还有另一种类型的气升式反应器，称为气升式外循环反应器，其将气升管和降液管分离成在反应器的顶部和底部连接在一起的两个管。 在降液管中的气相和液相的密度差产生液体循环。二者因为能耗低，流动形式较为规则，因此都能达到优良的传质和传热性能。无论内循环反应器还是外循环反应器都由四个基本构件组成：气升管（Riser）、降液管（Downcomer）、气体分布器（Air sparger）和气液分离器（Gas-liquid separation zone）。根据分离效率的差异，降液管内存在由液体循环带来的小气泡，通过下部连接管，回到气升管。气液分离区，基于他的独特设计，大部分气体将会与液体分离，分离效率直接影响着降液管内的气含率，气升管与降液管气含率的差异直接影响到循环推动力，所以如何更好的增大气液接触面积成了研究的关键^【7-8】。

由于气升式装置良好的接触性能，气液循环流动的特性，在一些复杂的喂食物发酵、含油土壤的改良，石油采出水净化和废水生化池等领域的应用得到学术界广泛的重视。

1.2.1 气升式反应器的分类

气升式循环反应器通常按照气升管和降液管的布置分为内循环式及外循环式两种类型，后者也称循环流化床反应器。向反应器内鼓入气体或液体，造成物料在反应器内部作有规则的循环流动的反应器叫做内循环反应器；而造成物料在反应器外部作有规则的循环流动的反应器叫做外循环反应器^【9】。二者因为能耗低，流动形式较为规则，因此都能达到优良的传质和传热性能。无论内循环反应器还是外循环反应器都由四个基本构件组成：气升管（Riser）、降液管（Downcomer）、气体分布器（Air sparger）和气液分离器（Gas-liquid separation zone）。每一构件中的流体流动特性都有不同，基质传递、产物形成、能量传递情况在各处也有差异^【10-12】。气升管，气体由气升管进入反应器，与反应器中的液体共同组成分散的两相流因此也是气液接触最频繁的位置。降液管，根据分离效率的差异，降液管内存在由环流带来的小气泡，通过下部连接管，回到气升管。气液分离区，基于他的独特设计，大部分气体将会与液体分离，分离效率直接影响着降液管内的气含率，气升管与降液管气含率的差异直接影响到循环推动力，所以如何更好的增大气液效率成了研究的关键^【13-15】。外循环式与内循环式相比较,气升式外循环反应器可在降液区安装一个换热器以加强传热,便于气升区和降液区的测量和控制,还可在气升区与降液区之间设置一个节流阀,对进气率和流体循环速度进行控制^【16-17】；而气升式内循环反应器则结构比较紧凑,可以通过将导流筒做成多段从而加强局部及总体的流体循环,还可以通过导流筒内安装筛板,以改善气体分布情况,并且还可以适当地抑制流体循环液速。

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