论文总字数：17209字

摘 要

气液混合时间和体积传质系数是气升式反应器设计和放大的重要参数。以欧拉-欧拉模型为基础，利用标准k-ε及MUSIG（多尺度气泡）模型耦合Higbie 渗透理论进行计算，对反应器内气液两相流的混合和氧传质进行模拟。结果表明，在一定表观气速范围下，混合时间随着表观气速的增大而减小；示踪剂注射位置越靠近曝气区，气液混合时间越小。体积传质系数随着表观气速的增大而增大。模拟结果与实验结果吻合较好。

关键词：混合时间；气升式反应器；MUSIG模型；氧传质

Study on gas-liquid mixing process and mass transfer in airlift reactor

ABSTRACT

Abstract: Gas-liquid mixing and mass transfer are two important factors in the design and scale up of reactor. Based on Euler-Euler model, combine standard k-ε and MUSIG model with Higbie penetrate theory to simulate gas-liquid mixing and oxygen transfer. Studied the influence of different injection positions and superficial gas velocity on gas-liquid mixing time. Influence of superficial gas velocity on volumetric mass transfer coefficient also focused. Result show that the injection positions closer to the aeration zone the smaller the gas-liquid mixing time, and under certain superficial gas velocity, mixing time decreased as the superficial gas velocity increase. Volumetric mass transfer coefficient increased as the superficial gas velocity increase. Simulation results agree very well with the experiment data.

Key words: airlift reactor; MUSIG model; gas-liquid mixing; oxygen transfer

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1气升式反应器的简介 1

1.2 气升式反应器的特点 2

1.3 内循环气升式反应器的混合 2

1.4 内循环气升式反应器的传质 3

1.5 计算流体力学（CFD） 3

1.5.1计算流体力学简介 3

1.5.2计算流体动力学软件的结构 4

1.5.3计算流体动力学软件的特点 5

1.5.4双流体模型 5

1.5.5气相和液相湍流模型 5

1.6 实验目的和意义 6

第二章 实验和模拟方法 7

2.1实验装置 7

2.2实验方法 8

2.2.1 体积传质系数 8

2.2.2混合时间 8

2.3数值模拟方法 8

2.3.1网格划分网格与独立性测试 9

2.3.2边界条件设定 9

2.3.3数学模型 9

第三章 结果与讨论 12

3.1 体积传质系数 12

3.1.1瞬时溶氧浓度场 12

3.1.2表观气速对体积传质系数的影响 13

3.2气液混合时间 14

3.2.1瞬时示踪剂浓度场 14

3.2.2注射位置对混合时间的影响 16

3.2.3表观气速对混合时间的影响 17

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 18

参考文献 20

致谢 22

第一章 文献综述

1.1气升式反应器的简介

气升式循环反应器属于自循环式循环反应器,根据反应器结构可分为外循环和内循环两种形式，这两种反应器主要是根据不同的流体循环路径来区分的。当在升流区内曝气，由于升、降流区内气含率不同造成的表观流体密度的差异，最终导致流体在反应器内循环。内循环气升式反应器被认为是气液鼓泡床内引入了一个升流管使流体在不同的区域内循环，而外循环反应器由两独立的管道结成,两管道首尾相连,顶部有气液分离器，由于外循环气升式反应器的分离区具有更好的分离作用，因此升、降流区的密度差异更大，导致液体循环速度也更大，最终将降低升流区内气含率^[1]。气升式内循环反应器具有四个基本区域，并且每一个区域都具有不同的流态。第一个区域为升流区，因为气液做并流向上的运动，这个区域气含率最高，气液传质行为主要发生在此区域。第二个区域是气-液分离区，气液离开升流区的顶部进入到分离区，分离区主要目的除去一部分或大部分气体。然后混合流体进入到降流区以及反应器底部的澄清区后返回到升流区。这样，液相或混合流体形成了连续的循环。与传统机械搅拌式反应器不同，气升式反应器（airlift reactor，ALR）是以气体动力为能量来源，其广泛应用于化学工业，生物过程工程，污水处理等领域，主要是由于它具有结构简单，无活动部件，剪切温和，低能耗，良好的混合能力以及优良的传质和传热等优点^[2-4]。尽管很多研究者对气升式反应器做过大量实验和数值模拟的研究，但是工业规模的反应器设计和放大仍然存在困难。国内外对于气升式反应器流体力学特性^[5,6]，反应器结构参数优化^[7-9]的研究较多，但是，由于气液两相流运动的过于复杂，很难对反应器内部流场进行测量。近年来，随着计算流体力学的发展，计算机整体性能提高，数值模拟的方法已经成为研究反应器的重要手段。杨汶雨等采用CFD(计算流体力学)方法进行数值模拟，考察气升式反应器导流筒直径在70-140 mm范围内对气含率和循环液速的影响，并得到了最佳导流筒直径为100 mm ^[10]。 MoravejiM.K 利用CFD技术对气升式内循环反应器在不同气速条件下的气含率和下降区液相速度进行模拟，得到模拟结果与实验结果接近^[11]。

1.2 气升式反应器的特点

气升式反应器增加了用于流体循环的流动结构，从而大大改善了混合和接触的条件，有利于气液的传质。与传统的鼓泡塔相比，气升式循环反应器具有以下优点^[12]：

请支付后下载全文，论文总字数：17209字