列管型鼓泡塔中流動發(fā)展規(guī)律的研究.pdf

1、鼓泡塔反應器是一種氣-液或氣-液-固多相接觸與反應裝置，在多個領域有廣泛應用。大型液相費托合成反應器內(nèi)部安裝有密集的換熱列管束，這種情況下的多相流動規(guī)律還少有研究。鼓泡塔內(nèi)流動沿塔高的發(fā)展規(guī)律及流動區(qū)域的劃分是流體力學研究和反應器開發(fā)的基本問題，在列管束存在的情況下目前還沒有得到清楚的認識?，F(xiàn)有文獻中關于鼓泡塔流動發(fā)展的研究大多針對小塔徑(＜0.5 m)以及無內(nèi)構(gòu)件的情況。對于含有密集列管束鼓泡塔的實驗研究大都集中在充分發(fā)展區(qū)的流動狀態(tài)

2、，沒有考慮流動沿塔高的發(fā)展和流動區(qū)域的劃分問題，而該問題對于反應器的放大和分布器的開發(fā)具有至關重要的影響。有鑒于此，本文針對大型鼓泡塔特別是含密集列管束的鼓泡塔流動的發(fā)展問題展開實驗與計算模擬研究，考察塔徑、列管密度、空塔氣速對流動發(fā)展和流動參數(shù)分布的影響規(guī)律，給出流動區(qū)域或流動狀態(tài)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的判據(jù)，為工業(yè)放大設計和內(nèi)構(gòu)件開發(fā)提供依據(jù)。論文主要包括以下幾個方面:
　　1.無列管的湍動鼓泡塔中流動發(fā)展的實驗研究和CFD模擬使用電導

3、探針和Pavlov管在兩套不同直徑（(φ)500、(φ)800 mm）鼓泡塔冷模實驗裝置中，在表觀氣速0.12～0.62 m/s條件下，實驗測量了不同塔高位置的時均液速、局部氣含率和三維均方根脈動速度的徑向分布。實驗表明在不合內(nèi)構(gòu)件的空塔中流動沿塔高發(fā)展較快，分布器影響區(qū)的大小隨表觀氣速變化不大，隨塔徑增大略有增加。(φ)500塔中分布器影響區(qū)范圍在2.5倍塔徑以內(nèi)，(φ)800塔中為3倍塔徑左右。采用二維徑向力平衡模型能準確描述鼓泡塔

4、內(nèi)充分發(fā)展區(qū)的流動，計算給出的液體速度、氣含率及湍流動能分布與各種條件下的實驗結(jié)果符合良好，模型能夠用于空塔情況下的流體力學放大預測。
　　2.(φ)500列管塔中流動發(fā)展的實驗研究與CFD模擬在(φ)500鼓泡塔內(nèi)測定了不同列管密度和表觀氣速條件下不同塔高位置的時均液速、局部氣含率和均方根脈動速度的徑向分布。實驗表明，列管內(nèi)構(gòu)件對塔內(nèi)流動存在兩方面的影響:一方面，列管的加入將抑制流動沿塔高的發(fā)展過程，使得分布器影響區(qū)延長，其范圍

5、由空塔的2.5倍塔徑以內(nèi)增大到列管塔4倍塔徑以上;另一方面，列管束的存在使得充分發(fā)展區(qū)的液速和氣含率徑向分布趨于陡峭，塔中心的液速和氣含率隨列管密度和表觀氣速的增加而顯著增大，形成所謂的“煙囪效應”。產(chǎn)生上述效應的力學機理，是列管對氣泡運動和湍流脈動的橫向阻礙作用。在徑向力平衡模型中分別考慮列管對氣泡群的壁面力和對液相脈動的阻力，就能夠描述列管塔中的流動規(guī)律，模型計算給出的分布器影響區(qū)和充分發(fā)展區(qū)中的流動參數(shù)分布與實驗結(jié)果相符。

6、　　3.(φ)800列管塔中流動參數(shù)分布的實驗研究在安裝了列管的(φ)800鼓泡塔內(nèi)，測定了時均速度、脈動速度、氣含率的徑向和軸向分布，考察了塔徑、列管密度、列管管徑、表觀氣速、布氣方式等因素對流動參數(shù)分布的影響。實驗首次發(fā)現(xiàn)，(φ)800列管塔中的流動規(guī)律與(φ)500列管塔有很大的甚至是根本性的不同。在塔中的主要區(qū)域（Z=2.2m處），(φ)500列管塔中液速與氣含率的徑向分布都比空塔時更為陡峭，而(φ)800列管塔則完全相反，在同

7、樣的高密度列管和均勻布氣的情況下，液速與氣含率徑向分布十分平坦，呈現(xiàn)出環(huán)隙高、中心與邊壁低的馬鞍形分布，其中心液速與氣含率遠低于空塔的情況，且隨列管密度和氣速的增大而降低。實驗表明，產(chǎn)生上述異常流動現(xiàn)象的原因，可以用兩種塔中流動發(fā)展的狀態(tài)不同來解釋。(φ)500列管塔中流動處于充分發(fā)展狀態(tài)，存在著一個充分發(fā)展區(qū)，分布器的影響仍限于塔內(nèi)的局部范圍;而(φ)800列管塔中的流動處于未發(fā)展（高列管密度下）或部分發(fā)展（中低列管密度下）的狀態(tài)，在

8、實驗的高徑比條件下不存在充分發(fā)展區(qū)，分布器影響區(qū)貫穿全塔，塔內(nèi)占優(yōu)勢的流動是分布器影響下的流動，其特征是速度與氣含率的徑向分布嚴重依賴于分布器產(chǎn)生的初始分布狀態(tài)，流動呈現(xiàn)出不對稱的馬鞍形速度分布，具有不穩(wěn)定和無序的特點。
　　4.鼓泡塔分布器影響區(qū)大小的估算模型提出了一種簡單的計算模型用于估算不同條件下包括含有豎直列管內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔分布器影響區(qū)長度，其思想是類比圓管單相流入口段長度計算的準數(shù)模型，引入“湍動雷諾數(shù)”的概念，采用湍流