ae流体力学在填充床反应器中的应用进展

第２１卷第２期２００５年４月

化学反应工程与工艺

ＣｈｅｍｉｃａｌＲｅａｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖｏｌ２１．Ｎｏ２

Ａｐｒ．２００５

文章编号：ｌ∞ｌ一７６３ｌ（２００５）０２一０１４９一０９

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计算流体力学在填充床反应器中的应用进展

穆斌高韦贾金明程振民

（华东理工大学国家重点实验室联合化学反应工程研究所，上海２００２３７）

摘要；在使用计算流体力学（ＣＦＤ）方法模拟填充床反应器时，为了描述填充床中的气液流动情况，目前主

要运用基于体积平均法的双流体数学模型，辅以空隙率分布，填料润湿效率以及轴向扩散等经验关联式来计

算填充床中的压降、持液量、停留时间分布等重要参数。近年来填充床反应器ｃＦＤ数学模型韵几个研究重点

是动量交换系数、毛细管压力以及床层空隙率的非均匀分布性。简要介绍了涓流床、固定床、填料塔等填充床

反应器及其内部构件研究中ＣＦＤ软件模拟的应用进展情况和发展趋势。

关键词：计算流体力学；渭流床；固定床；填料塔；多相反应器；双流体模型

中圈分类号：ＴＱ０５２文献标识码：Ａ

近年来，计算流体力学（ＣＦＤ）已经成为研究多相流的一个重要工具＂２。。在一些相对简单的系统中，ＣＦＤ已经被用来模拟单相流或多相流。但是对于较复杂的系统，例如填充床，因其中曲折多孔的复杂形态以及流体与流体之间、流体与填料之间的相互作用，ＣＦＤ模拟研究的进展仍然很缓慢。另外，虽然国外学者已经开始使用ＣＦＤ研究填充床反应器，但是国内至今仍然鲜有相关的报道。

１数学模型

对于涓流床一类的填充床，填料直径一般介于１０一３～１０＿２ｍ，床层内的气液流动可以用层流模型。运用气液两相双流体模型及体积平均法可以得到气液两相流的瞬时方程组，气相和液相的动量守恒方程可以表示为：

罢（胁拙ｉ）＋“：昙（依鼬｛）一筹一＾。器±Ｂｇ＋Ｒ（１）

对于填料塔一类的填充床，填料直径一般介于１０卅～１０＿１ｍ，床层中的气液流动已趋于湍流状态，特别是没有液体时的单相气体流动不能再以层流模型处理，因此方程（１）中必须加上湍流雷诺应力项。略去了湍流雷诺时均运算中产生的高阶相关量和相对小量后，单相气流的动量守恒方程可表示为：

丢（∥）＋“ｉ丢（彬）＝筹一器±ＪＤｇ＋嘉＜一∥∥，＞（２）另外，气、液相连续性方程为：

蔷（依＾・）＋玉（＆几“ｉ）一ｏ：３）

收稿日期：２００４一０５—２８；修订日期：２００５一０１一０７

作者简介：穆斌（１９８０一），男，硕士研究生；程振民（１９６７一），男，教授，通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｍｃｈｅｎｇ＠ｅｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

第２ｌ卷第２期穆斌等．计算流体力学在填充床反应器中的应用进展１５３

图３

Ｔｂｂｌｅｒｏｎｅ结构Ｆｉｇ．３ＴｏｂＩｅｒｏｎｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ图４ＲＥＵ结构示意图Ｆｉｇ．４ｓｃｈｅｍａｔｉｃＩｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＲＥＵ

基于这个方法，Ｇｕｌｉｊｋ‘２４１计算了规整填料塔内的液体径向分布系数。在装有ＫＡＴＡＰＡＫ—Ｍ＠规整催化填料的５０ｍｍ直径圆管内，Ｓｃａｌａ等眺３用实验测定和三维ＣＦＤ模拟了冷空气与热壁的对流换热情况，发现两种方法得到的结果是一致的。Ｋｒｉｓｈｎａ，Ｂａｔｅｎ，Ｅｌｌｅｎｂｅｒｇｅｒ等［２６￣２９］对ＫＡＴＡＰＡＫ—Ｓ固催化填料进行了详细研究。他们用示踪剂测停留时间分布（ＲＴＤ）曲线的方法实验测定了液体在填料中的轴、径向扩散系数和传质性能，然后用ＣＦＤ商业软件ＣＦＸ模拟计算了气液传质性能。

在Ｔｏｂｌｅｒｏｎｅ模型的基础上，Ｌａｒａｃｈｉ和Ｐｅｔｒｅ等人［３０￣３２３把规整填料中的流体通道划分为四种代表性基本单元，称作ＲＥＵ（ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｕｎｉｔ，图４）。然后，在ＲＥＵ结构中使用方程（２）进行计算，对每一种类型都建立机理模型，并对影响干填料压降的主要类型进行了三维模拟，将计算出的欧根系数代入双缝模型中，然后结合方程（１）预测了规整填料的压降、持液量和润湿率。

３．２散堆填料塔的研究

Ｙｉｎ等人［３３￣３朝在方程（１）的基础上，联合包括轴向扩散关联式（式１８），二维空隙率分布关联式（式１７），气、液传质系数关联式，填料表面润湿率关联式在内的五个辅助方程构成一个闭合模型，对填料塔内液体分布、持液量以及气液传质性能从实验测量和ＣＦＤ软件模拟两方面进行了研究。为了验证ＣＦＤ模拟的精度，使用伽马射线装置测定了床层横截面的持液量分布情况。对比实验结果和模拟结果，可以看出，通过选择适当的辅助方程，ＣＦＤ模拟可以很好的预测床层的流体力学性能，其预测精度高于传统模型。

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＾ｏ其中Ｐ乱，为轴向Ｐｅｃｌｅｔ数；以＝≥为填料当量直径；口，为填料比表面积；Ｒ纪和ＲＰ。分别为按当

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量直径定义的气、液相雷诺数；Ｄ。为填料塔直径。

用于分离作用的填料包括规整型和散堆型，但是规整填料还包括用于反应蒸馏过程的催化填料，它们的模拟方法是不一样的。对于散堆填料层中的气液流动，液体不受规则流道限制，不同于规整填料。因此，它的数学描述方法更接近涓流床模型，但是在压力和相问动量交换项的计算方法上有所不同，要想提高模型的预测精度，重点就在于进一步研究能够真正代表床层内流动传质特征的辅助方程。对于规整型填料，问题的重点集中在模拟ＲＥＵ内的流体流动，这样不仅可以预测规整填料的流体力学性质，还可以将数值计算的结果反过来指导新型规整填料的设计，对于优化反应蒸馏过程也是很有帮助的。

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优化反应蒸馏过程的传统方法是调整操作参数，而不是优化填料结构。然而，填料的类型、几何结构对整个反应蒸馏过程都有明显的影响，因此，需要研究开发出一些新型填料。以ＩＮＴＩＮＴ（Ｉｎｔｅｌｌｉ—ＣｏｌｕｍｎＩｎｔｅｒｎａｌｓｆｏｒＲｅａｃｔｉｖｅＳｅｐａｒａｔｉｏｎｓ）为名的一个欧洲工程计划就致力于开发一些本质上ｇｅｎｔ

全新的填料，并研究它们在特殊反应蒸馏过程中的应用。这个计划的重要理论创新之一就是改变传统的实验与平衡控制模拟相结合的研究方法，取而代之的是ＣＦＤ技术与精确的速度控制过程模拟相结合［３６］。ＣＦＤ模拟是不需要真正实体的虚拟实验，只需要通过调整模拟填料的几何结构性质，就能预测填料的性能，从而减小了昂贵的流体力学实验规模。从未来的发展来看，ＣＦＤ也将可能成为虚拟填料原型的主要设计方法。

４气液分布器的研究

４．１液体分布器

对于填充床反应器而言，一个设计适当的液体分布器提供的初始分布能够明显增大催化剂颗粒的使用率并减少催化剂结焦、液体沟流的可能性。而对于传统的填料塔，好的布液情况是提高填料塔总效率的一个重要保障。过去，人们大都通过实验测定的方法，得到大量的数据，凭经验来设计液体分布器，缺乏理论的数值计算来论证与指导。

Ｊａｃｏｂｓ等人［３７３用ＣＦＤ分别模拟了升气管液体分布器、传统泡罩液体分布器和改进型泡罩液体分布器的分布性能，量化计算了工业操作条件下，液体分布质量对催化剂效率的影响。在不同塔高处描绘出了液体质量流速在整个塔截面的分布情况，并对这三种液体分布器导致的催化剂效率差异进行了比较。由于在假设不存在轴向扩散的前提下进行ＣＦＤ模拟，对计算细节并没有报道，所用的催化剂效率模型也为简化模型，所以尽管声称可以直接将模拟结果用于实际的分布器设计，但是没有实验数据的支持，仍然有待验证。

对于该领域的研究，国内报道很少。最近的报道是周永生等人［３８］用Ｆｌｕｅｎｔ软件对槽式分布器的二级锥底槽的液体流动进行了模拟计算，得到了液体随流动时间变化的速度等势面图，矢量图和湍流能量分布图。

４．２气体进口分布器

液体分布器在填料塔设计中的重要性已经毋庸置疑，而气体进口分布器的研究长期以来并未得到重视。现在，随着各种大直径、浅床层、低压降填料塔的开发研制，气体初始分布和床层内流动情况逐渐被人们重视起来。虽然尚未建立一个清晰的标准来评价气体初始分布质量，但是一些学者已经对气体分布器及相关的设计原则进行了实验研究［３９３和数值模拟［４０。。最近，一些研究者用ＣＦＤ软件建立了气体（再）分布器的三维模型，向可视化方向又迈进了一步。其中，Ｗｅｈｒｌｉ等人［４１］对三种不同的气体进口分布器建立了三维网格，模拟结果证明切向气体进口装置具有更好的气体分布能力。Ａｌｉ等人［４２’４３３对气体（再）分布器和集液器等塔内构件处的气体分布情况进行了三维模拟，分析了气体初始分布对填料塔压降的影响，其结果与精心测量的实验结果很吻合。从这些研究结果可以看出，作为一个设计和诊断工具，ＣＦＤ非常直观，未来的发展趋势就在于如何从ＣＡＤ图形输出中建立复杂网格模型以及非结构化网格的进一步发展［４划。

５总结及展望

填料塔和填充床反应器因其复杂的几何形态成为多相流系统的一个代表性问题。一般的解决方法是用网格划分填料之间的空隙空间，然后用计算机模拟流动。然而，填料塔内的精确几何形态是无法得知的，大多只能获得空隙率分布的统计测量值，这些信息也依赖于研究者所用的计算尺度。另外，即使知道填料排列的几何形态，如果填料颗粒的数目增大，其计算量也将是难以承受的。但是，ＣＦＤ模拟仍然可以帮助我们理解填料塔中颗粒之间相互作用和颗粒装填方式对传递过程的影响。尤其是ＣＦＤ模拟可以代替一些条件很苛刻的实验任务，例如完全绝热系统，极低、高流速条件下的实验等。