CFX软件模拟气升式环流反应器的研究

炼
年 月
油
技
术
与
工
程 第 卷第 期
机械设备
软件
模拟气升式环流反应器 的研究
范景福 , 刘献玲‘ 蔡 文,
中国石化集 团洛 阳石 油化工工程公 司 河南省洛 阳市 中国石油大学 北 京 过程装备实验室 北 京市
摘要 选 用气一 液两相气升式环流反应器 为研究对象 ,采用 双流体模型 即欧拉 一 欧拉 多流体模 型 描 述气液 两 相流动过程 。 利用 软件 对气升式环 流反应 器进行“’’ 型网格划分 ,并用 一 软件对模 型方程进行
气液分 离区
的速度场 、 局部气含率等详细参数 。与实验方法 相比 , 模拟不仅 花费少 、 设计周期短 ,且能在 较短时间内预测装置的性能 〔〕 ’,并通过改 变各种 参数 , 达到最佳设 计和操作效果 ,对反应器 的设 计、 放大 、 优化和混合传质的基础研究都具有重大
意义 。
气液混合区 和 回流区
。
夕甲夕ຫໍສະໝຸດ ,由图可知 ,在气液混合区 ,液相速度开始较
动量传输方程
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日
小 ,进人升流区底部时 , 由于此处气含率较高 ,液 体体积较小 ,在气体的挟带作用下 ,液相速度上升 〕 拜。, ‘ 尹 明显 随着液相速度的增加 ,流体阻力增大 ,液相 速度有所减小 进人气液分离区后 , 由于锥段处的
横 截面 积 突然扩 大 ,液相 速度 进一 步减 小 在 降 流
—
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式中 。 一
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, 代表气相体积分数 , 代表液
相体积分数 。 , , 为源项 。 ‘ 计算结果及分析 局部气含率和循环液相速度是环流反应器的 重要参数 ,特别是反应器内不 同区域 的局部气含 率和环流液相速度对环流反应器的传质和混合有 重要的影响〔〕 数值模拟结果见图 一 ’ 。 图 度 为表观气速为
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湍 流 脉 动 动 能一 散 率 耗 如下 子
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一 双方程模 型 司
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一 可 知 ,在 升 流 区 ,随着 表 观 气 速 的
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增 加 ,液 相 速 度增 加 ,随着 表 观 气速 的增 加 ,液 相 速 度增 加 的 幅度变 缓 。这是 由于 随着 表观 气 速 的
, , ,
。 下 ,
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,
下 ,轴 向高
分别为
液体速度沿径 向
分布对 比图 。
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图
不同轴向高度液相速度沿径 向分布对 比
,
气升式环流反应器的几何模型见图 器直径 度
为 , ,升流管直径 ,升流管高度 ,分离区高度 ,底隙高度
。反应
,锥段高
,升流管高径 比
。由于 气升 式 环 流反 应 器 具 有 对 称 性 特
点 ,本研究所有 的方 向 ,取
为截 面 ,如 图
的
二维平面示意图所示 以反应器最底部 的对称 中心作为原点建立坐标系 ,水平 向右为径 向正方向 即 轴 〕垂直向上为轴向正方向 即 , 轴 。
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一 … 一
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本研究使用
数值模拟方 法来 分析气升
图
气升式环流反应器 的几何模型
式环流反应器的 内部气液两相的流动状况 ,并在 升流管直径不变的条件下 ,改变升流管的高度 , 即 改变升流管 的高径 比 ,得出升流管高径 比对液相 速度和局部气含率的影 响 ,在此基础上对气升式 环流反应器进行结构优化 。
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二户
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区 ,液流是向下 的 ,且在降流区的不 同高度 , 由于 气含率较低 ,气液两相之间的作用力较小 ,流体运
动 趋 于平 缓 在 近 壁 面 处 ,由于 壁 面 效应 的作用 , 液 相速 度接 近 于零 。 图 , 由图 , , , 分 别 为 表观 气 速 。 在 , 下 的速 度云 图 。 ,
收稿 日期 一 一 。
作者简介 范景福 ,助理工 程师 ,硕士研 究生 ,主要从 事生 物 流化床处理废水 方面 的研 究 。联 系 电话 一 一 ,
第
期
范景福等
软件模拟气升式环流反应器 的研究
网格 划 分 以及 物理模 型 建立
二
￡
网格划分 由于气升式 内环流反应器结构具有对称性 , 本研究使用 中的 一 软件 对气 创建一系列块 升式内环流反应器模型进行“ ” 型网格划分 ,并 在边界处对网格加密 。采用 结构 ,通过 一 来减少曲线或 曲面上块的歪斜 , 幼 从而提高壁面附近聚集 网格点的效率 。 模型假设 本研究把气相作为分散相 ,液相作为连续相 , 选用双流体模型 ,即欧拉一 欧拉 多流体模型来描述 气液两相流之间的相互作用 。 假设 ① 空间各处分散相与流体相共存 ,相互 渗透 ,各相具有各 自 同的流体速度 、 不 温度及体积 分数 ② 分散相在空间中有连续的速度 、 温度及体 积分数 ③ 计算 中的速度 、 压力均较低 ,两相都被 看作不可压缩 ,即气体和液体的密度为常数 ④ 计 算模型中忽略气和水两相间的传质 。 控制方程 对液相 连续相 的湍流模 型采用标准的 一 双方程模 型 ,气相 离散相 采用零方程模 型。 连续方程
求解 ,得到 了包括气液两相速度场 、 局部气含率分布等参数 。 通过改变升流管高径 比 ,考察升 流管高度对 气含率 和
液相速度的影响 ,在此基础上对气升式环流反应器的结构进行改进 。
关键词 气升式
环流
反应器
计算流体力学
气液
两相流
气升式 环流反应器
由于具有结 构简
几 何模 型
单 、 能耗低 、 混合和传质性能好等优点 ,被广泛应 用于生物化工 、 石油化工 和环境工程等领域 。近 年来 ,气升式内环流反应器在活性 污泥法污水处 理中被广泛应用 ,由于其 良好的传质和混合特性 , 较之传统 的活性污泥曝气装置显示了较大 的优越 性 ,在工业上越 来越受 到人们 的重 视川 ,但 由于 人们对其流动与传质行 为认识上的不足 , 目前在 其设计与放大过程上仍存在较大的不确定性 ,因 此 ,对其 内部 的流动与传质行 为进行深人研究对 于此类反应器的设计与放大具有重要意义 。 计算 流体 力学 可以看作是在流动基本方程控制下对流 动 的数值模拟 ,通过这种模拟 ,可以获取反应器中