T型微通道反应器内气液两相流及气液固多相流模拟研究

2019年第19卷第2期

编辑俛桂才

试验研究T型微通道反应器内气 相流及气 研究#

孙冰

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071 )

摘要：I通道内流体流动及标量传递信息 的获取一直是研究热点之一。基于CFD模拟技 术，研究了微通道中气液两相及气液固三相的流 动过程。开发了颗粒孔隙尺度网格处理方法，获 得了微通道内气液两相流型随气液流速及气相入 口尺寸的变化规律，初步分析了催化剂颗粒缝隙 气泡的变形、破碎等情况，为微反应器的合理设计 提供了指导。

关键词微通道两相流网格气泡

0 前言

微 控制技术 微米或纳 的

通道结构中，控制 或纳升的液体进行并 热的技术。微 应器的反应尺

，比表面积大，，热 ，可以精确控制反应过 件，在 合成、生物检测领域

的应用。微 应器（或微通道反应器，简称微反应器）中物料能够 合、反应，应产生的热量能够 被 。反应器

，比表面积大，反应生成的自由基在与管壁的不 断碰撞中被 ，火焰难以 。氢 合发生了爆炸，由于 物料量少，爆炸 的能量少，对周围环 员造成的损伤也较小，能够极大地降低危险工艺过程的风险。因此，微反应 技术 安 的新 技术。

热或吸热多相 应 应器传热性

能 较高， 用较细的反应管。而管

内的高 又 不能过小，一般为2~10mm[1]，管径与颗粒直径的比在4

4的[2—5]，此时壁面效应较 ，g床看作平推 效果不 []。

近年来，人们开始利用CFD(Computational Fluid Dynamics)作取填充

标量传递的 [7_1]，尤

在 数（f o<1000)以管

比率(2<〜<8)下的递过程[1]。

的之一就 应器

收稿日期=2018-12-25

作者简介孙冰，博士 /高级工程师，注册安全工 程师，2014年毕业于美国加州理工学院化学专 业，现在中国石化安全工程研究院从事本质安 全化技术、反应器工程等方面工作。

*基金项目：I反应器内丙婦气相原位环氧化 反应行为研究（21606258)。

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试验研究

2019年第19卷第2期

境

粒以及颗粒与壁面间接触点处网格的处理问题。

无 于零的 ，很容易由于接触或者增长率太大等 导致 过程

不稳定，模拟结果 大。 的接 方

法包括Gaps 方法、Overlaps 方法、Bridges 方法与

Caps 方法，如图1所示。Gaps 方法是通过

丨粒

进行 比例的 ，通

到原

的95% ~99. 5% [9’12] ;Overlaps 方法是将颗粒的直径按一

定比

大，通

大至原来的100. 1%~

105% [13] ;Bridges 方法是在接触点处添加一个联 接桥，通常“桥”的

的1 % ~ 10% [ 14];Caps 方法是在接

切

部分，通常

切面 的1%~10%[15]。

方法只有

目的，就

接

无无

的缝隙结构，以解决接 格 过

大的问题。 ，

Gaps 与Caps 的处理方法会增大

床层的空隙率，而Overlaps 和Bridges 会减小床层

的

。床层的

增加1%, #

到的床层

的误差会增加

3%[11]。基于现有方法存在的 ，提出了耦合DEM

的颗粒孔

格划分方法，操作简单，计算量

A /=1/30J M =l /50d Al =l /I 00d

(a )不同网格尺寸的球形颗粒形状

。该方法的计算 ：首 用结构

I

格对整 应管进行网格

，然后基于DEM 方

法 的

过程，

孔隙的

空间

，进一步通过结构 格中心 ：

标与DEM

的 结构的 关系，将网格属

划 域 域。 ，网格 •

格划 密切相关，图2为不 格 ■

应的球形 结构图以 层

经验的比较, 以看出，随着网格

的减小，

方法

形状的

更为准确，当

格尺

的1/100时，模拟结果与

理论公式预测结果定量一致（图2(b ))。

固1 4种常见的接融点处的处理方法

(b )床层压降与经验公式的比较

固2 网格尺寸对模拟结果的影响

1

模型的建立与网格无关性分析1.1

ST 两相流模型

Fluent 中的常用的两相流模型有Mixture 、 VOF 、Eulerian 3种，其中VOF 模型主要用于模拟具

有

界面的两相不互溶的多相 ，最适

合

作的

。此外，为了进一步提高相界面

踪的

，本工作采用的多相

VOF

-levelset 耦合模型：

方程：

f +\7.(p )=0

(1)

ot

动量方程：

\7.(c

)=

-Vp + V • jx [ Vu + ( Vu ) r ]+pg + FC T (2 )

式中:u 速度矢里,m • s ;

p -流体密度，kg • m ;，Pa • s ;p -压力，

Pa ;g -重力加速度，

kg • m • s ;F .一根据CSF 方法得到的表面张力的体积

力形式，N •

m '体积分数(VOF )方程:

[3

a

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