规整填料旋转填充床流体流动与传质性能研究 ——数值模拟与实验验证

论文摘要

规整填料旋转填充床（Rotating Packed Bed,RPB）反应器作为近年来发展的新型反应器,相较于传统RPB反应器具有降低压降和提高传质性能的优点。流体流动、传质性能等传递特性作为反应器的重要参数需要深入研究。随着计算机的发展,由此产生的由数学、流体力学和计算机科学交叉形成的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）为人们预测研究流体流动提供了有力手段。规整填料RPB反应器作为一种新型反应器既具有相对复杂的内部结构,又拥有旋转特性,这为其模拟研究带来了不小的挑战。前人的研究均基于某种简化填料结构的方法而进行模拟研究,但没有真实的填料的结构就无法真实的模拟其中的流体流动。因此发展一种规整填料RPB反应器CFD模拟新方法势在必行。本文针对规整填料RPB反应器中的流体流动和传质性能进行了 CFD模拟与实验验证。首先,通过单元阵列法和计算机断层扫描（Computed Tomography,CT）重构法分别构建了丝网型规整填料和泡沫型规整填料RPB反应器的几何结构。通过模拟对规整填料RPB反应器中气相与液相流动进行预测,并利用高速摄像可视化的手段对填料区、空腔区中的气相、液相流动进行观测与验证,最后利用传质实验验证模拟预测的气侧端效应现象以及基于数值模拟结果提出的传质模型。从而为规整填料RPB反应器的结构优化和工业应用提供指导。主要研究结果如下:（1）发展了基于单元阵列法和CT重构法的几何建模方法,构建了丝网型和泡沫型规整填料的几何结构,为CFD模拟提供详细的几何信息。（2）基于所构建的不锈钢波纹丝网规整填料RPB反应器几何结构,对总体压降、压降组成、气相流动及湍流强度进行CFD模拟。通过压降实验验证了 CFD模拟的可靠性,在此基础上发现填料区外侧存在强烈扰动,预测气侧端效应现象。利用高速摄像可视化技术拍摄RPB反应器填料区中的气体流动。拍摄结果表明在外侧填料区中气体流动存在强烈的扰动,该现象与数值模拟预测的结果一致。在可视化实验的基础上,利用S02-NaOH气膜控制传质体系,测量了填料区不同层的气相体积传质系数kGae,发现填料外侧的传质系数高出其它区域填料区约为2～3倍。该部分研究验证了气侧端效应现象和气侧端效应区的存在,并验证了 CFD模拟预测的气侧端效应区厚度为20～30 mm。（3）在不锈钢波纹丝网规整填料RPB反应器气相流动研究的基础上,利用可视化手段系统地观测了 RPB反应器填料区内部液相分布状况、流动形态,并探讨了流型变换规律。进而在可视化研究的基础上合理选择CFD模拟的流体域和模拟策略,将对CFD模拟及可视化观测的流动形态与液体微元尺寸大小进行验证对比。最后通过模拟预测了填料区的持液量,在转速200～1000 r/min,液量100～300 L/h的操作条件下,持液量大小为0.2～2%。（4）基于所构建的泡沫镍规整填料RPB反应器几何结构,分别对填料区和空腔区中的液体流动形态、持液量以及液滴大小与速度进行了模拟预测,利用前人CT扫描获得的持液量结果验证填料区的持液量,结合可视化手段对填料区、空腔区的流动形态与空腔区中的液滴大小和速度进行验证对比研究。（5）利用CFD模拟结果计算了液滴占总液体的比值,并在此数值模拟的基础上,依据表面更新理论,构建了完全基于数值模拟的传质模型,对液相体积传质系数kLa进行预测,同时利用氧解吸体系测量kLa,该实验结果与模拟预测值相比误差小于±25%。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘易

导师: 陈建峰

关键词: 旋转填充床,规整填料,计算流体力学,高速摄像可视化,流体流动

来源: 北京化工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 数学,无机化工,有机化工

单位: 北京化工大学

基金: 国家重点研发项目(2017YFA0206801),自然基金项目(21725601,21676009)

分类号: TQ051.1;O242.1

DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.000110

总页数: 193

文件大小: 30469K

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