气升式反应器气液混合及传质特性的CFD模拟
李干禄;韦策;吴昊;贺仁涛;吴兵;姜岷;欧阳平凯
【摘要】气液混合时间和体积传质系数是气升式反应器设计和放大的重要参数.采用实验与流体动力学CFD数值模拟技术相结合的方法对气升式内环流反应器的气液两相混合和溶氧过程开展研究.以欧拉欧拉模型为基础,利用标准kε及多尺度气泡(MUSIG)模型耦合Higbie渗透理论进行计算,对反应器内气液两相流的混合和氧传质进行CFD数值模拟.考察示踪剂进样位置和表观气速对混合时间的影响,并研究表观气速对体积传质系数的作用规律.结果表明:示踪剂注射位置越靠近曝气区,气液混合时间越小,在一定表观气速下,混合时间随着表观气速的增大而减小,体积传质系数则随着表观气速的提高而增大,CFD数值模拟结果与实验结果较好吻合,进一步验证了CFD数值模拟技术在气升式反应器设计和放大中的可行性.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(040)004
【总页数】7页(P118-124)
【关键词】气升式反应器;CFD模拟;气液混合时间;氧传质
【作者】李干禄;韦策;吴昊;贺仁涛;吴兵;姜岷;欧阳平凯
【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800
【正文语种】中文
【中图分类】Q815
与传统机械搅拌式反应器不同,气升式反应器(ALR)是以气体动力为能量来源,由于它具有结构简单、无活动部件、剪切温和、低能耗、良好的混合能力以及优良的传质和传热等优点[1-3],已广泛应用于化学工业、生物工程、污水处理等领域。
尽管很多研究者对气升式反应器开展了大量实验与数值模拟的研究,但工业规模的气升式反应器设计和放大仍然存在困难。国内外对于气升式反应器流体力学特性[4-5],反应器结构参数优化的研究较多[6-8]。但由于气液两相流运动过于复杂,很难对反应器内部流场进行测量。近年来,随着计算流体力学(CFD)数值模拟的发展,CFD数值模拟为生物反应器的研究、设计及优化提供了重要的技术手段。杨汶雨等[9]采用CFD数值模拟,考察气升式反应器导流筒直径在70～140 mm范围内对气含率和循环液速的影响,并确定最佳导流筒直径为100 mm。Moraveji[10]利用CFD技术对气升式内环流反应器在不同气速条件下的气含率和下降区液相速度进行模拟,其模拟结果与实验结果接近。
采用实验与CFD技术结合的方法对气升式内环流反应器气液两相混合和溶氧过程进行研究,考察不同表观气速条件下的混合时间、体积传质系数,并探讨了不同进样位置对混合时间的影响。
1 实验装置与方法
1.1 实验装置
气升式反应器实验装置采用有机玻璃制造,总体积为300 L,实际装液量为220 L。实验装置示意图如图1所示,反应器高度为2.5 m,反应器由内置导流桶，将其分为上升区和下降区,其高度均为1.9 m,导流桶内外的横截面直径分别为300和400
mm。分布器为孔板式,孔数为9,孔径为20 mm。表观气速UG范围为0.004～0.04 m/s,其定义为
UG=Q/A
(1)
式中：Q为空气流速,kg/m3;A为上升区的横截面积,m2。
图1 实验装置Fig.1 Experimental device
1.2 实验方法
1.2.1 混合时间的测量
采用饱和的NaCl溶液作为示踪剂,每次将50 mL NaCl溶液从注射点快速注入,通过固定在一定位置的电导探头来获取反应器内溶液的电导率变化。记录从示踪剂加入到反应器体系到电导读数大于95%的时间,将其定为混合时间tm(s)。
应用CFD模拟反应器内的混合时间,主要模拟方法是:通过加入与流体具有相同物理属性的标量(用来模拟示踪剂),求解描述该标量在流场中的运输方程得到反应器内该标量随时间变化的浓度场,然后通过加入监测点并输出监测点处标量浓度变化曲线,从而计算出混合时间。
1.2.2 体积传质系数KLa的测量
在有氧发酵过程中,体积传质系数KLa是表征反应器氧传质性能的重要参数。采用动态通气法测定反应器不同位置的体积传质系数[11],先通入高纯N2将水中O2置换,当水中O2质量浓度低于0.5 mg/L时[4],立即通入空气。利用在线监测系统采集溶氧数据,采集频率为5 s。体积传质系数KLa的换算方法为
(2)
式中：为液相中饱和溶氧质量分数，为液相中初始的溶氧质量分数，为液相中t时刻的溶氧质量分数，mg/kg。
1.3 数值模拟方法
1.3.1 网格划分与独立性测试
采用三维构造体软件构建反应器3D模型,使用四面体非结构化网格。一共划分了4个数量水平的网格(1.93×105、6.3×105、1.059×106、2.035×106),表观气速为0.04 m/s,得到总体气含率分别为8.89%、8.57%、7.55%、7.62%。为了保证计
算结果精确和计算速度,选取网格数为1.059×106进行计算。
1.3.2 气液两相数学模型
在利用CFX 14.0大型计算软件包进行CFD模型数值求解时,考虑了气液两相的差
异和相互作用,利用双流体模型将液相作为连续相、气相作为分散相,分别求解气相
和液相的连续性方程与动量方程,利用湍流封闭模型模拟气泡上升运动引起的湍动
行为,采用多尺度气泡模型模拟气泡直径的自由分布,使模拟结果更切合实际工况。
最终得到反应器中的流体力学特征,如相速度、气含率、KLa等在反应器中的分布。
1)双流体模型
双流体模型充分考虑了气液两相的差异和相互作用,并且引入了颗粒相黏性、扩散
和导热等系数,与实际情况更加贴近,被公认为完善可靠的模型。采用多相流中的欧
拉-欧拉双流体模型,将液相作为连续相、气相作为分散相,分别求解气相和液相的连续性方程与动量方程。
在气升式内环流反应器中存在气液两相体系,气液两相各自的连续性方程可表示为[11]
+(αkρkuk)=0
(3)
式中：α、ρ和u分别为相含率、密度和速度。式中下标k为l、g时,分别代表液
相和气相且界面作用力分别取正、负值。
动量传递方程为[11]
+·(αk(ρkukuk))=-αkp+αkρkg+αkτk±Fint
(4)
式中的右边分别表示压差、重力、剪切力和界面作用力。
气液两相的动量方程的精确求解要耦合相间作用力Fint,主要包括曳力FD、升力FL、虚拟质量力FVM和湍流扩散力FT。
Fint=FD+FL+FVM+FT
(5)
2)湍流封闭模型
为了考察由气泡上升运动引起的湍动,采用适用多相流体系的标准k-ε湍流模型。在气-液两相体系中,采用方程(6)、(7)计算[12]
+·(ρlulk)=
(6)
·(ρlulε)=
(7)
式中：k为湍动能,m2/s2;ε为湍动耗散率，m2/s3;C1ε、C2ε、σk、σε分别代表耗散率常数、湍动能的湍流普朗特数、耗散率的普郎特数和湍流耗散率常数,其值分别为1.44、1.92、1.0和1.3;ρl、ul和μT,l、Gk,l分别代表液体的密度、流速、黏度、动能。
3)多尺度气泡模型(MUSIG)
多尺度气泡模型采用颗粒群体平衡模型(population balance equation),颗粒群体平衡模型方程为[12]
+·(αgρgugfi)=BB-DB+BC-DC
(8)
式中：BB、DB分别表示气泡在破碎以后的生成和消亡速率；BC和DC分别表示
气泡在聚并以后的生成和消亡速率。
1.4 体积传质系数KLa的计算
结合Higbie渗透理论,Kolmogoroff 各向异性湍流理论和Ostwald-de Waele的流变模型可以得到传质系数KL在非牛顿流体的理论表达式[13]
(9)
对于牛顿流体体系(n=1,K=μ),式(9)可简化为
(10)
由于存在气泡破碎和聚并作用,气液接触面积a可由式(11)计算
a=6εL/dB
(11)
因此,KLa的计算公式为
(12)
式中：DL为O2在水中的扩散系数，m2/s;μ为流体黏度，Pa·s;εL为局部气含率;dB为气泡直径，m。
2 结果与讨论
2.1 气液混合时间的考察
2.1.1 瞬时示踪剂浓度场的考察
表观气速为0.024 m/s时,示踪剂浓度场在反应器中混合状态随时间变化云图见图2。示踪剂在湍动流中的混合过程包括分子扩散、对流和湍流涡作用,与其他两种作用相比,分子扩散作用是可以忽略的。由图2可知：在该条件下,示踪剂在反应器中混合均匀所需时间约为25 s。图3为液相和气相的速度矢量图,在反应器上升区存
在不同尺度的漩涡,漩涡的存在有助于示踪剂在轴径向的分布，如图3(a)所示,示踪剂在注射点P1注射,随着下降区液体向下运动,然后进入上升区。由于曝气口附近,气液混合剧烈,湍动程度高,所以示踪剂在上升区扩散速度较快。
图2 示踪剂浓度场随时间变化云图Fig.2 Clouds of tracer concentration fields with time
图3 速度矢量图云图Fig.3 Clouds of liquid velocity vectors
2.1.2 注射位置对混合时间tm的影响
图4 注射点高度对混合时间的影响Fig.4 Effects of mixing time on injection points
示踪剂的注射位置可能会影响整体混合时间。许多研究者将注射示踪剂和监控点选择在低湍动区域,并且二者之间的距离较大,这样就能较为客观地反映出整体的混合时间[14-15]。本研究中,以表观气速为0.024 m/s为条件,考察了下降区的4个轴向位置对混合时间的影响,分别为1.7、1.2、0.7、0.2 m,结果见图4。图4表明,反应器内气液混合时间随着注射点高度的下降而减少。注射点离曝气区域越近,示踪剂进入曝气区的时间越短,而曝气区域的气液混合剧烈,所以示踪剂分散得更快,更均匀。实验值与模拟结果趋势基本一致,相对误差小于15%。
图6 瞬时溶氧质量分数场云图Fig.6 Clouds of instantaneous dissolved oxygen concentration fields
2.1.3 表观气速对混合时间tm的影响
由于气升式反应器能量的输入是由气体带来的,所以表观气速对混合时间以及体积传质系数有着显著的影响，结果见图5。从图5可以看出：表观气速低于0.032 m/s时,混合时间随着表观气速增大而减少,然而,当表观气速大于0.032 m/s时,混合时间有所提高。这可能是由于气速增大导致反应器上升区存在局部的循环[16-17]。模拟结果与实验值误差小于20%。
图5 表观气速对混合时间的影响Fig.5 Effects of mixing time on superficial gas velocities
2.2 体积传质系数的考察
2.2.1 瞬时溶氧浓度场的考察
在0.024 m/s的表观气速下,液相中溶解氧质量分数随时间变化的云图见图6。由
图6可知:在前100 s水中溶氧速度较快,达到6.9 mg/kg,然后需经过200 s才能达到接近溶氧的饱和状态(8.3 mg/kg)。图7显示实验实测的溶氧质量分数变化相对模拟结果有所延迟,这可能是由于实验所用溶氧探头的响应时间所导致的延迟效应。图7 液相中氧质量分数随时间变化Fig.7 The oxygen mass ratios in liquid phase with time
2.2.2 表观气速对体积传质系数KLa的影响
KLa是评价反应器性能最重要的参数之一,在反应器设计与放大过程中也最受重视。由式(12)可知,总体气含率、湍能耗散速率以及气泡直径等直接影响KLa，结果见
表1。由表1可知：随着表观气速增大,总体气含率和湍能耗散速率均有所提高,平
均气泡直径基本不变,但当表观气速达到0.04 m/s时,气泡聚并现象加剧导致气泡
直径变大,所以KLa随着表观气速增大而增大。图8为不同气速条件下KLa的模拟与实验值,模拟所得到的结果与实验值趋势一致。
表1 表观气速对气泡直径大小、总体气含率、湍能耗散速率和体积传质系数影响Table 1 Effects of superficial gas velocities on bubble sizes,overall gas holdups,turbulent energy dissipation rates and volumetric mass transfer coefficients
表观气速/(m·s-1)平均气泡直径/mm总体气含率/%湍能耗散速率/(m2·s-3)体积传质系数KLa 0.0083.781.870.025 90.004 7 0.0163.763.560.070 50.011 3
0.0243.755.760.094 50.017 5 0.0323.736.330.149 10.021 9
0.0404.068.000.152 50.024 7
图8 表观气速对KLa的影响Fig.8 Effects of KLa on superficial gas velocities 3 结论
1) 模拟采用的模型能够很好地呈现反应器内气液两相混合、溶氧过程以及不同位置的详细流场信息;
2) 模拟获得的混合时间和体积传质系数与实验值能较好吻合;
3) 通过冷膜实验进一步验证说明了CFD技术为气升式反应器设计及放大提供了强有力的理论数据。
参考文献：
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气升式反应器气液混合及传质特性的CFD模拟 李干禄;韦策;吴昊;贺仁涛;吴兵;姜岷;欧阳平凯 【摘要】气液混合时间和体积传质系数是气升式反应器设计和放大的重要参数.采用实验与流体动力学CFD数值模拟技术相结合的方法对气升式内环流反应器的气液两相混合和溶氧过程开展研究.以欧拉欧拉模型为基础,利用标准kε及多尺度气泡(MUSIG)模型耦合Higbie渗透理论进行计算,对反应器内气液两相流的混合和氧传质进行CFD数值模拟.考察示踪剂进样位置和表观气速对混合时间的影响,并研究表观气速对体积传质系数的作用规律.结果表明:示踪剂注射位置越靠近曝气区,气液混合时间越小,在一定表观气速下,混合时间随着表观气速的增大而减小,体积传质系数则随着表观气速的提高而增大,CFD数值模拟结果与实验结果较好吻合,进一步验证了CFD数值模拟技术在气升式反应器设计和放大中的可行性. 【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2018(040)004 【总页数】7页(P118-124) 【关键词】气升式反应器;CFD模拟;气液混合时间;氧传质 【作者】李干禄;韦策;吴昊;贺仁涛;吴兵;姜岷;欧阳平凯 【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800
气升式环流反应器流动特性的数值模拟 沈娟;王文华;徐志刚;束忠明 【期刊名称】《上海化工》 【年(卷),期】2007(32)6 【摘要】应用Fluent计算流体力学软件,通过数值模拟的方法考察了气升式环流反应器内导流筒直径、导流筒高度、导流筒安装高度以及液相进口速度对反应器内两相流动的影响.计算结果表明:导流筒直径增大,液相循环量和上升段气含率均增长;导流筒高度增大,液相循环速度和循环量均增大,但是当导流筒的高径比增加到6.3后,液相循环速度和循环量反而减小;导流筒安装高度增加,液相循环速度及循环量均增大,升液管气含率降低;增加液相的进口速度,虽然上升段的液速有所增加,但是降液管循环液速及循环量基本不受影响.最后计算了反应器内液相速度随进口气速的变化情况,并与实际测量值进行了比较,模拟值和测量值都表明随着进口气速的增加,液相循环速度随着进口气速的增加而增加,两者呈现良好的一致性. 【总页数】5页(P12-16) 【作者】沈娟;王文华;徐志刚;束忠明 【作者单位】华东理工大学生物工程学院,上海,200237;华东理工大学生物工程学院,上海,200237;华东理工大学化工学院,上海,200237;华东理工大学化工学院,上海,200237 【正文语种】中文 【中图分类】TQ052
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近年来，原油出现重质化和劣质化的趋势。重质油加氢过程中，其中存在的胶质、沥青质和微量金属很容易结焦，导致催化剂，尤其是负载型催化剂失活，造成催化剂寿命缩短[1]，因此必须解决重质原油轻质化的难题。采用非负载型催化剂悬浮床加氢裂化工艺处理金属含量高、残炭含量高、氮含量高和黏度高的重质原油，能够使原油中40%以上的组分轻质化，达到轻质化目的[2]。该工艺的反应器通常采用空桶式反应器即鼓泡床反应器[3]，它的原料中可以直接调入沥青或者焦化装置原料。气升式环流反应器是在鼓泡床反应器的基础上发展而来[4]，与传统反应器相比，由于气含率高、环流液速快、气体停留时间长和气液接触面积大、结构简单和易于工程放大等优点，在石油化工、生物化工和煤液化领域得到了广泛应用。中国石油大学等[5-6]开发的悬浮床加氢裂化工艺采用了环流反应器，大大提高加氢裂化深度和原料油转化率。 环流反应器的气含率和环流液速是体现流动性能的重要参数，而环流反应器几何结构会对这两个因素有重要影响。国内外学者首先利用实验方法得到了气含率和环流液速与设计和操作参数之间的经验关联式[7-10]，但因是基于固定设计参数和物性而得，不适合范围以外的推算。随着计算流体力学(CFD)的发展，使用CFD进行数值模拟逐渐成为模拟反应器内流动特性的重要手段[11-12]。导流筒是气升式环流反应器几何结构中比较关键的因素，沈荣春等[13]以空气-水体系作为介质，采用欧拉-欧拉模型考察了导流筒结构对气、液两相流动影响，李光等[14]研究了鼓泡塔中加入短导流筒对反应器内流动的影响，朱家亮等[15]考察了导流筒和直径比对局部流场的影响。这些研究对环流反应器的流动性能有重要的指导意义，但模拟条件与悬浮床加氢反应器工艺操作条件(温度420～480℃，压力10～20 MPa)有很大差别。因此，针对悬浮床工业装置研究导流筒直径对反应器内流动影响和放大规律，对悬浮床反应器工业放大有重要意义[16-18]。 本研究中，利用FLUENT软件，以重质油悬浮床加氢反应器为基准，应用氢气-重
气升式发酵罐工作原理 气升式发酵罐（Air-lift bioreactor，简称ALB）是一种常用的发酵设备，其工作原理是利用气液两相流动的原理，通过气体产生的上升流动驱动液体的下降流动，从而实现液体的有效混合与氧气传递。气升式发酵罐在微生物发酵、废水处理、水产养殖等领域有着广泛的应用。 气升式发酵罐主要由气升管、液相区和气相区组成。气升管是连接液相区和气相区的通道，液相区是用于装载培养基和微生物的区域，气相区是用于传输气体的区域。当气体从气升管底部进入液相区时，产生的上升气泡会带动液体一起上升，形成气液两相流动。液体随着气泡的上升进入气相区，在上升过程中与气体发生混合，并经过罐顶排出。同时，上升的气泡也带有氧气，通过液体与气泡的接触，使氧气溶解于液体中。 气升式发酵罐的工作原理可以概括为以下几个方面： 1. 气液混合：气升式发酵罐中的气泡上升流动时，会与液体发生搅拌和混合，使液相区域的培养基和微生物保持均匀分布。这种混合方式可以避免机械搅拌对微生物的剪切力和磨擦力造成的伤害，同时提供了悬浮微生物所需的氧气和养料。 2. 氧气传递：气升式发酵罐通过气泡带动液体上升的过程，将氧气通过气泡与液体接触，使氧气溶解于液相区的培养基中。氧气的充分传递对微生物的生长和产物的形成非常重要。气升式发酵罐采用气液两相流动的方式，可以提高氧气的
传质速率，从而增加微生物的氧气利用效率。 3. 传质效果好：气升式发酵罐通过气泡的上升流动形成的混合效果良好，能够使培养基和微生物充分接触，提高传质效果。气泡的上升流动还可以破碎液体中的气泡团，减小气泡的尺寸，增加气泡和液体的相互接触面积，进一步提高气泡的负荷和液体对气体的吸收能力。 4. 可扩展性强：气升式发酵罐的设计和结构相对简单，具有可扩展性强的特点。通过在工业规模下增加气升管的数量和尺寸，可以提高发酵罐的生产能力，满足不同规模的生产需求。 总的来说，气升式发酵罐通过气液两相的流动，实现了培养基的混合、氧气的传递和培养液的传质。它具有混合均匀、氧气利用高和操作灵活等优点，广泛应用于微生物发酵、废水处理、水产养殖等领域。
基于 EMMS 模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟 肖颀;杨宁 【摘要】3D Eulerian-Eulerian model was applied to simulate the flow in a gas-liquid stirred tank. Simulation results with different drag models were evaluated at the discharge flow region. CFD simulation could correctly predict the liquid velocity distribution around the impeller, but the traditional Schiller-Naumann drag model under-estimates the drag force, leading to the relatively lower gas holdup at the region under the impellers and gas distributor. The DBS-Global drag model derived from the gas-liquid EMMS model could obtain more reasonable gas holdup distribution at the complete dispersion regime and significantly improved the prediction accuracy of the gas holdup distribution at the discharge flow region.%采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维 CFD 模拟，重点 研究了采用不同曳力模型时CFD 模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明 CFD 能准确地预测排出流区的液相速度分布，但采用传统的Schiller-Naumann 曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力，导致在完全扩散区 CFD 预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小，而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度(EMMS)方法得到的 DBS-Global 曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比，采用 DBS-Global 曳力模型 能显著提高对气含率的预测。 【期刊名称】《化工学报》 【年(卷),期】2016(067)007
环己烷氧化在环流反应器中气液混合的研究 第一章文献综述 1.1环流反应器的研究 环流反应器是在强化鼓泡反应器发展起来的高效反应器，一类高效的气—液，气—液—液或气—液—固多相反应器。它具有结构简单，液体力学性能好，易于工程放大，已在化工生产中得到广泛应用。 1.1.1环流反应器的原理 本文研究的气升式环流反应器基本外观结构,反应器外筒内部有一个导流筒,将反应器外筒内部划分为导流筒内侧(上升段)和导流筒外侧(下降段)2个区域。初始状态的反应器充有常温液态水。气相(空气)由反应器底部气体入口喷入反应器,沿上升段上升,并由反应器顶部的排气口排出。由于反应器上升段和下降段中混合物的气含率不同,在反应器的上升段和下降段之间形成了静压力差,反应器中的液体在气体的带动下上升至导流筒顶部后,在静压力差的推动下,再由下降段回流至反应器底部,形成了气升式环流反应器内部物质循环流动的推动力[1]。 1.1.2环流反应器的分类及特点【1.1】 侯英华[2]等已对环流反应器的分类作了较详细的说明。主要有以下几种分类形式：（1）按流动形式分类 按流动形式可分为内环流和外环流两种，图1-1中M1为通入反应器的流体流量，M2为液体循环流量，M3为总流量，则M3=M1+M2。气体或液体进入反应器后，由于流体的初始动量和密度的降低，使一侧流体向上，另一侧向下做循环流动，形成良好的混合反应条件。
图1-1 内外环流反应器的示意图图1-2 多级式环流反应器示意图 （2）按组成形式分类 图1-1，图1-3和图1-4所示均为单级形式。多级环流反应器有立式和卧式两种，图1-2（a）是用于废水处理的多级串联环流反应器，图1-2（b）是多导流筒立式串联反应器，图1-2（c）是多级卧式串联反应器。已有文献研究表明多级式反应器比单级式反应器不仅有较高的传质系数，而且能耗低。 （3）按流体动力来源分类 1）气升式环流反应器（ALR）。即气体由导流筒下部进入反应器，由于气泡在导流筒内外分布不同，使筒内外流体产生密度差而生成液体的环流运动。 气升式环流反应器主要有中心气升、环隙气升三种形式（如图1-3）。 图1-3 气升式环流反应器 2）喷射式环流反应器（JLR）。利用喷嘴把液体或气体高速喷入反应器内，由于喷射推动和静压差推动联合作用，流体在反应器内均匀混合并形成环流流动，输入流体的动能大部分转化为反应器中流体的湍流动能。通常这类反应器有较大的放大效应。 喷射式环流反应器分为上喷和下喷两种（如图1-4）
气液两相流数值模拟方法的研究与应用 气液两相流是指同时存在气体和液体的复杂流动现象，广泛存在于自然界和工 业生产中，如瀑布、波浪、化工反应器、石油开采等。气液两相流的研究对于理解和控制这些现象、提高生产效率和安全性具有重要意义。 数值模拟是研究气液两相流的有效方法。相比于实验方法，数值模拟的优势在 于能够获得更多的细节信息和精确数据，同时也可以极大地降低成本并避免实验过程中的危险性和不确定性。本文将介绍气液两相流数值模拟的方法，及其应用领域和未来挑战。 一、数值模拟方法 1. 传统方法 传统方法通常采用两相流模型，基于欧拉方程求解。由于气液两相流的复杂性，这种方法常常涉及到多个物理场的耦合和相互作用，如热传递、质量传递、化学反应、多相流动力学等。因此，该方法具有计算量大、计算时间长、计算结果不精确等缺点。 2. 基于LBM的方法 LBM（lattice boltzmann method）是一种介观尺度（宏观与微观之间的中间尺度）数值模拟方法，可以直接模拟流体内部微观运动方式，适用于模拟多相流动现象。这种方法是根据Boltzmann方程建立的，通过碰撞模型模拟流体分子的运动， 以此获得整个流场在不同时间的状态。该方法具有计算速度快、模拟精度高、易于建模及可扩展性等优点。 3. 基于CFD的方法 CFD（computational fluid dynamics）是指应用计算机数值方法对流体流动进行 模拟和分析的工程技术。CFD方法通过建立流动场的数学模型并采用数值求解方
法进行计算，从而得到流场的物理或数学解。这种方法在气液两相流领域中也得到了广泛应用。 4. 其他方法 此外，还有一些其他的数值模拟方法，例如基于粒子方法的SPH（smoothed particle hydrodynamics）和DEM（discrete element method）等。这些方法基于不同 的假设和算法，都有各自的优缺点，在不同的气液两相流应用场景中发挥着重要的作用。 二、应用领域 气液两相流的数值模拟方法，在许多领域都得到了广泛应用。 1. 化工反应器 化工反应器是在气液两相流条件下进行化学反应的设备，具有重要的工业应用。数值模拟可以帮助预测反应器的性能和稳定性，优化工艺参数，提高生产效率和安全性。例如，在Petlyuk双液相反应器中，基于LBM方法的数值模拟可以帮助预 测液-液-气三相流的流体力学和传热过程，明确反应器内部的流动和物质转移机制。 2. 石油开采 石油开采时需要运用气液两相流模拟进行预测和优化。通过数值模拟可以帮助 了解油井开采过程中地下气液流动阻力、储层渗透性、注入液体提高油水分离效率等生产过程的问题。例如，在气隙水驱开采的过程中，基于CFD方法的数值模拟 可以模拟气泡的运动、残留油田水位、驱油界面的动态特性等关键过程，有助于优化采油方案和提高采收率。 3. 污水处理
华东理工大学2013—2014学年第一学期 《反映器分析》课程论文 2013.10 班级__________ 学号____________ 姓名____________ 开课学院________________ 任课教师____________成绩__________
气升式环流反映器的简介和进展 杨帆 （华东理工大学,上海,200237） 摘要：综述了气升式环流反映器的工作原理和主要影响因素的研究进展和最新应用，而且介绍了此后气升式环流反映器的主要进展方向。 关键词：气升式环流反映器；原理；影响因素；最新进展 气升式环流反映器(airlife loop reactor，简称ALR)，是目前应用最普遍的生物反映设备。这种反映器具有结构简单、能耗低、剪切应力小、混合好等长处。气升式环流反映器对于反映物之间的混合和传质都是相当有利的。气升式环流反映器是由鼓泡反映器改良而来的新型反映器，它综合了鼓泡床和搅拌釜的性能，与鼓泡床反映器相较，环流反映器具有液体定向流动的特点，在较低的表观气速之下即可以实现固体颗粒的完全悬浮，而且目前被应用于诸多领域诸如费托合成、一步法合成甲醇与二甲醚、汽油脱硫、重油氢化、生物废水处置及发酵工程等。反映器有多种形式，大致可以分为：内环流和外环流，单级和多级，单筒和多桶等等。 1气升式环流反映器的工作原理 气升式环流反映器的构造如图1-1所示，在反映器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将反映器内部的液体分成上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升去的下部安装了很多的空气喷嘴，或环型气体散布管，空气散布管的下方许多喷孔。反映器工作时，加压空气通过喷嘴或喷孔喷射进入反映器的上升区，喷射气速可达250~300m/s，气体进入上升管后，通过汽液混合物的湍流作用使空气气泡分割细碎，形成庞大的接触面积，与导流筒内的液相或液固混合物密切接触从而充分反映。由于导流筒内形成的气液混合物密度会降低，加上空气被紧缩后的动能，因此会使得导流筒内的液体向上流动；抵达反映器上部液面后，一部份气生泡破碎，汽液混合物中的气体排出到反映器的上部空间，因排出部份气体的液体通过导流筒上部向导流筒外流动，导流筒外的液体因排出气体后会变得气含率减小，密度增大，所以在重力作用下液体会下降至反映其底部。在反映器底部由于导流筒的内的液体速度很大，会将气含率小的液体吸入导流筒内部再次
自学指导 气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应器,学生学习是要掌握气升式发酵罐工作原理，气升环流式反应器特点。 重点:气升式发酵罐工作原理,结构。 图1 气升式发酵罐实物照片 气升式发酵罐(ALR)（见图1）也是应用最广泛的生物反应设备。华南理工大学高孔荣教授等对这类反应器进行了较系统深入的研究并取得良好结果，部分已在发酵工厂和废水处理中应用。这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。目前世界上最大型的通气发酵罐就是气升环流式的，体积高达3000多立方米。 气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐（见图2）、气液双喷射气升环流发酵罐（见图3）、设有多层分布板的塔式气升发酵罐（见图4）。而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。现以气升环流式反应器（见图2）为例说明其工作原理。 图2 气升环流式反应器
图3 气液双喷射气升环流反应器 图4 多层空气分布板的气升环流发酵罐 气升环流式反应器构造如图2所示，在反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵醪液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴（见图3），或环型空气分布管（见图5），空气分布管的下方有许多喷孔。加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250~300（米/秒），无菌空气高速喷入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与导流筒内的发酵液密切接触，供给发酵液溶解氧。由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，二氧化碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
搅拌气升式生物反应器分析 摘要：搅拌气升式反应器是一种较为新颖的反应器，本文对其基本结构、原理、关键参数进行了分析，对其应用前景进行了探讨，希望能帮助到相关行业人士。 关键词：反应器；气含率；细胞培养；三相反应 引言：针对于搅拌式和气升式反应器而言，这两种反应器在多方面得以大力使用，比如化工与发酵领域等。对于气升式反应器而言，在气体粘度较低以及温度较为 温和的情况下，该种反应器有着较好的应用效果，同时亦存在多种不利因素，比 如相间传质不够理想、操作弹性不高等，进而有碍于气升式反应器的发展。 1.搅拌气升反应器概述 对于搅拌气升反应器而言，其是一种生物反应器，由气升式与搅拌式反应器 组合而成，该反应器有着较多的构造，主要有进气室以及换热器等。对于混合式 反应器而言，主要是基于导流筒，在其中安装搅拌桨得以实现，导流筒源于气升 式反应器。如图1所示，为三种反应器结构。对于其中的（c）结构而言，由于 气体通气发生于上升区，并不是处于搅拌桨的下面，因此可很好解决气体不通问题。对于搅拌桨而言，有着很多种，比如斜桨以及船用搅拌桨，甚至包括Ph型 搅拌桨。由于Ph型搅拌桨耗能不高，而且剪切力并不大，因此得以广泛使用。 图1 三种反应器结构 2.与该反应器有关的参数 对于与该反应器有关的参数，本文主要从液体循环速度、气含率等方面进行 分析，以供参考。 2.1液体循环速度 基于反应器的设计，在所有的流体力学参数中，液体循环速度是关键参数， 在一定程度上，不但能影响流体混合特性，亦能影响颗粒浓度的均匀，并且和传 质系数有着很大的关系。基于对液体循环速度的有关研究得知，在增加黏度的同时，或者是加大固体粒径时，皆会促使液体循环速度减慢；此外，对于液体循环 速度与表观气速而言，两者基本上呈正比例关系，也就是在增加气速的同时，液 体循环速度随之加快。然而，对于混合反应器来讲，针对于气速和搅拌转速而言，两者能互相制衡，当搅拌转速过快时，在反应器内极容易形成气阻现象。 在表观气速恒定的情况下，在一定范围内，在转速加大的同时，液体循环速 度随之加大，但是当转速大于每分钟1000转时，液体循环速度会逐渐下降，直 到接近某一数值。此外，在桨速增加的同时，液体循环速度随之加大，对气速的 影响并不大，但是在单独气体式的情况下进行操作时，会对表观气速造成影响。 由此可以得知，基于液体循环速度而言，搅拌转速对其有着较大的影响，新型反 应器的出现，促使传热面积得以加大，而且分布较为均匀，在换热器的内外，不 管是料液流动，还是水流流动，皆可视为强湍流运动，由此具备较高的传热效率。一般而言，借助于新型反应器，在一定程度上，有助于提高液体循环速度。 2.2气含率 在流体力学参数中，类似于液体循环速度，气含率亦是根本参数，在一定程 度上，可直接影响气泡大小，而且针对于气相与液相，与两者的接触面积有着很 大的关系。在气升式反应器中，当加大通气速率时，气含率随之增加，这一点与 搅拌速率一样，也就是当搅拌速率加大时，气含率随之加大。一般而言，在通气
实验9 气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定 一．实验目的 1．了解气升式环流反应器的工作原理、结构形式及应用的领域。 2．掌握气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定方法。 3．掌握电导仪及测氧仪的使用方法。 4．学习利用组态王软件进行实验过程的数据采集和数据处理的方法。 二．实验原理 气升式环流反应器是近年来作为化学反应器和生化反应器而发展起来的一种新型高效气-液两相反应器和气-液-固三相反应器。气升式环流反应器是利用反应气体的喷射动能和液体的循环流动来搅动反应物料,所以具有结构简单、造价低、易密封、能耗低,也不会由于机械搅拌破坏生物细胞等优点。广泛用于化工、石油化工、生物化工、食品工业、制药工程和环境保护等领域。对反应器的结构尺寸进行恰当的设计后,能得到较好的环流流动的循环强度,在反应器内形成良好的循环,促进固体催化剂粒子的搅动。因而环流反应器对于反应物之间的混合、扩散、传热和传质均很有利,既适合处理量大的较高粘度的流体又适合处理热敏感性的生物物质,还可用于气-液两相或气-液-固三相之间的非均相化学反应。 根据气升式环流反应器降液管的形式可将环流反应器分为内环流反应器和外环流反应器两种。内环流反应器是指气体从升气管下方喷射进入反应器,使得升气管中液体的气含率大于降液管中液体的气含率,引起两者之间存在密度差,从而使得环流反应器中的液体在气体带动下得以循环起来。外环流反应器是指将降液管移到反应器的外面,循环原理和内环流反应器相同。 实验中利用体积膨胀高度法测定气含率ε；利用电导脉冲示踪法测量液体循环速度u L；利用动态溶氧法测定氧体积传质系数K L a。 三．实验装置和流程 1．实验装置 气升式内环流反应器的结构简图见图2-9-1,实物装置见图2-9-2。进入反应器的气体喷射至升气管后,由于气体的喷射动能和升气管内流体的密度降低,迫使升气管中流体向上,降液管中流体向下做有规则的循环流动,从而在反应器中形成良好的混合和反应条件。 气升式外环流反应器的结构简图,见图2-9-3,实物装置见图2-9-4。 图2-9-1 内环流反应器的结构简图图2-9-2 内环流反应器实物装置图图2-9-3 外环流反应器的结构简图图2-9-4 外环流反应器实物装置图环流反应器是作为气-液两相或气-液-固三相反应器而应用于生物化工或其他化学反应
气液喷射器喷射性能的数值模拟与优化 郑平;秦敬轩;陈旭 【摘要】针对气液喷射器传统2维设计理论和以试验或者 CFD 为基础进行单因素改变分析的不足，进行4组不同条件、多因素影响下气液喷射器内部流场的CFD 数值模拟，对比分析特定环境下不同气液流量比、混合管长径比、扩散室出口直径等参数对气液喷射器性能的影响，选择了合适的、有利于提高气液喷射器喷射性能的优化参数．结果表明：对于气液喷射器，当气液流量比和扩散室出口直径增大时，喷射器出、入口压降增大，壁流效应增大，工作效率降低，合适的气液流量比为0．018～0．035，扩散室出口直径为25～30 mm；当混合管长径比为1．00～1．17时，壁流效应较小，喷射器减速增压效果较好，流体混合加热效果较好， 能够更好地满足气液喷射器工作特性要求．%According to the shortages of both traditional two-dimensional design and single-factor analysis based on experiments or CFD software,the flow field of gas-liquid ejector influenced by multiple factors was simulated by CFD software under four kinds of conditions.The effects of gas-liquid flow rate,length to diameter ratio of mixture pipe and outlet diameter of diffusion chamber on the ejection performance of gas-liquid ejector were compared and analyzed.The optimization was obtained to enhance the ejection performance of gas-liquid ejector.The results show that for the specific ejector,when gas-liquid flow rate and outlet diameter of diffusion chamber are increased,pressure drop and wall flow effect are increased with decreased work efficiency.The suitable gas-liquid flow rate is from 0.01 8 to 0.035,and the suitable outlet diameter of diffusion chamber is from 25
喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响 黄正梁;帅云;杨遥;孙婧元;王靖岱;阳永荣 【摘要】喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响.以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径 式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律.实验发现,随着气速或液体射流Reynolds 数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的 变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺 寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20％时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20％时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴.研究结果可为工业射流鼓泡 反应器喷嘴结构的优化提供理论指导. 【期刊名称】《化工学报》 【年(卷),期】2018(069)011 【总页数】7页(P4648-4654) 【关键词】混合;传质;气泡;气液两相流;喷嘴结构 【作者】黄正梁;帅云;杨遥;孙婧元;王靖岱;阳永荣 【作者单位】化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙 江杭州 310027;浙江省化工高效制造技术重点实验室,浙江杭州 310027;化学工程 联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙江杭州 310027;化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙江杭州 310027;化学
工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙江杭州 310027;化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙江杭州 310027;化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙江杭州310027 【正文语种】中文 【中图分类】TQ027.1 引言 在鼓泡塔上方引入一股垂直向下的浸没式液体射流，利用高速液体射流对气泡的剪切破碎作用，可以实现反应器内气液两相的高效混合。这种气液两相反应器称为射流鼓泡反应器。Amiri等[1]对射流鼓泡反应器的混合性能进行了研究，发现射流可以有效改善液相混合。郭天琪等[2]考察了表观气速和射流Reynolds数对射流鼓泡反应器内液相宏观混合时间的影响，发现当总输入功率一定时，混合时间随气体输入功率的增加先减小后增大，当气体输入功率为总功率的 61%时，气液两相协同作用最强，混合时间最短。Huang等[3]实验对比了有无射流时射流鼓泡反应器内液相宏观混合时间随表观气速的变化规律，发现有射流时的混合时间明显短于无射流时的混合时间。陈迎[4]实验考察了表观气速和液体射流Reynolds数对液相体积传质系数的影响，发现液相体积传质系数随着表观气速和射流Reynolds数增大而增大。综上可知，液体射流是影响射流鼓泡反应器混合和传质性能的重要因素。 喷嘴作为液体射流的发生部件，其结构对射流的卷吸特性、流场分布、气液混合及传质等均有重要的影响[5-16]。结构优良的喷嘴能够在同样的能量消耗下，产生较远的射程，同时提高对反应器内液体的冲击力及对气泡的破碎效果。关于液体射流
CFD在自吸反应器气液流动和传质特性研究中的应用 洪厚胜;张志强;蔡子金;颜旭;顾承真 【摘要】针对配置气体分布器的六叶轮自吸反应器建立了欧拉气液两相流三维瞬 态模型，耦合Higbie气液传质模型，采用CFX软件对其气液混合过程的流场、气含率、吸气速率及溶氧传递过程进行数值模拟，获得了反应器的流动特性、气液分散性能、吸气特性及气液传质特性。分析了反应器内水平及竖直位置上的流型特征及溶氧传递性能，结合实验数据及经验关联式对比分析了对气含率及吸气速率的预测作用。结果表明，六叶轮转子及其配置的气体分布器可以获得较均匀的气液混合，气含率及吸气速率的预测与实验值偏差分别为5.2%和17.6%，模拟发现在反应器底部近壁处溶氧及混合效果不佳。%By coupling Higbie gas-liquid mass transfer model, Euler three-dimensional transient gas-liquid flow model was established for a six impeller self-inducing reactor with gas distributor. The model was used to simulate the flow field, gas holdup, gas-inducing rate and dissolved oxygen transfer of the gas-liquid mixing process with CFX software. The flow characteristics of the reactor, gas-liquid dispersion performance, gas induction and gas-liquid mass transfer properties were obtained. The analysis on flow pattern characteristics and dissolved oxygen transfer performance at horizontal and vertical positions of the reactor were made, comparing and analyzing the prediction of gas holdup and gas-inducing rate based on experimental data and empirical correlations. Six impeller rotor and gas distributor could obtain uniform gas-liquid mixing. Deviations of gas hold-up and gas-inducing rate predictions from experimental values were 5.2% and 17.6% respectively. Dissolved oxygen
ANSYS教学算例集 气升式反应器内气液流动仿真分析 撰写：审核： 校对： 2018年09月30日
目录 关键字：算例来源： 1.摘要 (1) 2. 案例描述 (1) 3. 操作步骤 (2) 3.1. 准备工作 (2) 3.2. 物理模型设置 (5) 3.3. 写出CFX-Solver求解输入文件（.def） (11) 3.4. CFX-Solver求解设置 (11) 3.5. CFD-POST后处理设置 (12) 4. 本章小结 (15)
1. 摘要 气升式反应器是利用空气喷射功能和流体的密度差造成的反应液循环流动，以实现流体的搅拌、混合和氧传递。本例以反应器内流动为例，用ANSYS CFX19.0软件，对反应器内流场进行仿真，包括流动材料属性、边界条件、求解和后处理的设置。计算流场内各物理量的分布，可用于评判反应器混合效率等。 2. 案例描述 本例采用欧拉-欧拉多相流模型来模拟气升式反应器内流动问题。模拟气泡在水中的扩散过程。空气从管内底部的喷口进入，气泡上升的过程同时搅动着水。内部管形成一个循环流动。
3. 操作步骤 3.1. 准备工作 3.1.1. 创建工作目录 打开ANSYS CFX仿真软件，将网格文件BubbleColumnMesh.gtm拷贝至英文文件目录下，更改Working Directory路径至网格文件目录下。 鼠标左键单击CFX-Pre 19.0，进入CFX-Pre界面。 3.1.2. 新项目创建 进入CFX-Pre界面，鼠标左键单击【File】>【New Case】或菜单栏下，新建case，在弹出的对话框中选取【Simulation Type】>【General】，点击【OK】进入到case 设置界面中。