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气升式环流反应器内气泡分布的数值模拟宋涛;蒋开喜;周俊武;冯昱清【期刊名称】《矿冶》【年(卷),期】2015(024)001【摘要】气升式环流反应器广泛应用于湿法冶金工业,如金矿的氰化浸出、铀矿浸出、铜矿浸出以及难处理矿物的生物预氧化等.该类反应器几何结构虽然简单,但合理的设计仍是设备高效运行的保证.为了预测气升式环流反应器的工作效果,使用欧拉双流体模型模拟反应器内包含气泡的气液两相流,并通过不同的相间力模型及自定义湍流子模型描述槽内气泡复杂运动.分析了气泡诱导湍流、升力、湍流分散力等模型在模拟气泡分布时的作用,并将模拟结果与Sokolichin等的试验结果进行比较.结果表明,提出的模拟方法在气升式环流反应器模拟中能够得到准确的流场和气泡分布结果.【总页数】6页(P61-66)【作者】宋涛;蒋开喜;周俊武;冯昱清【作者单位】东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;北京矿冶研究总院,北京100160;矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室,北京102628;北京矿冶研究总院,北京100160;北京矿冶研究总院,北京100160;矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室,北京102628;CSIRO Mineral Resource Flagship, Clayton VIC 3168, Australia【正文语种】中文【中图分类】TF351.5+3【相关文献】1.导流筒结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响 [J], 沈荣春;束忠明;黄发瑞;戴迎春2.中心气升式三相强化环流反应器内气含率分布的理论分析 [J], 刘梦溪;卢春喜;储凌;时铭显3.气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响 [J], 沈荣春;束忠明;黄发瑞4.气升式环流反应器内气液两相流动计算流体力学的模拟 [J], 沈荣春;束忠明;黄发瑞;戴迎春5.分布器结构对环隙气升式气固环流反应器流体力学性能的影响 [J], 孔双祝;牛占川;刘梦溪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
旋片环隙气升式环流反应器的局部气含率李博;赵德智;刘永民;郭秋丽;贾宝军【摘要】为了进一步强化气升式环流反应器的流动、传质、混合性能,设计开发了新型的旋片环隙气升式环流反应器.该反应器以有机玻璃为材料,外管高1 800 mm、内径90 mm、导流筒总长1 600 mm、主体直径50 mm,其特征是导流筒上附有若干组旋片,每组旋片间距110 mm.在表观气速为0.37～2.59 cm/s的条件下,研究了底部间隙、固体装载量以及不同分配器材料对该反应器内气含率的影响规律.结果表明,在相同轴向高度的条件下,随着表观气速的增大,上升区局部气含率增大;固体装载量增加,上升区局部气含率增加;底部间隙变大,低气速下局部气含率变大;在高气速下,气含率变小.在较低表观气速下,微孔分布器的局部气含率低于高分子材料的局部气含率;当表观气速较高时,结果相反.【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】4页(P20-23)【关键词】气升式;环流反应器;旋片式;气含率;导流筒【作者】李博;赵德智;刘永民;郭秋丽;贾宝军【作者单位】辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001;中国石油抚顺石有化公司石油三厂,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TQ052.5我国生产的石油相对其他国家而言,渣油含量较大。
因此，如何高效率地加工石油对于社会的进步、能源的高效利用与发展有着极其深远的意义。
悬浮床加氢裂化工艺是一种高效处理重油的方法，虽然提高重油悬浮床加氢过程转化率的关键是选择性能优异的催化剂[1-2]，但是不能过多地依赖催化剂性能的提升来解决悬浮床加氢过程中的问题[3]，在选择性能优异的催化剂的同时，还应通过优化操作条件、优化反应器的结构等来提高加氢过程的转化率。
第30卷第2期2011年 4月四 川 环 境S I C H U A NE N V I R O N M E N TV o l .30,N o .2A p r i l 2011·综 述·收稿日期:2010-10-26基金项目:国家自然科学基金项目(20876117);国家科技支撑计划项目(2006B A J 08B 10,2008B A J 08B 21)。
作者简介:李金鹏(1986-),男,安徽安庆人,同济大学环境科学与工程学院环境工程专业2009级在读硕士研究生,主要从事污水处理反应器数值模拟的研究。
计算流体动力学在模拟气升式环流反应器中的研究进展李金鹏,苏鸿洋,张亚雷,周雪飞(同济大学长江水环境教育部重点实验室,上海 200092) 摘要:计算流体动力学(C F D )是对气升式环流反应器进行数值模拟的重要手段。
为此,本文综述了C F D 模拟概况及气升环流反应器中流体数值模拟研究进展,总结了目前C F D 模拟气升环流反应器存在的问题,并提出了进一步的研究方向。
关 键 词:计算流体动力学;模拟;气升式环流反应器中图分类号:X 701 文献标识码:A 文章编号:1001-3644(2011)02-0105-06P r o g r e s s o f S i m u l a t i n g A i r -L i f t L o o pR e a c t o r U s i n g C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s (C F D )L I J i n -p e n g ,S UH o n g -y a n g ,Z H A N GY a -l e i ,Z H O UX u e -f e i(K e y L a b o r a t o r y o f Y a n g t z e W a t e r E n v i r o n m e n t o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i 200092,C h i n a ) A b s t r a c t :C o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s (C F D )i s a ni m p o r t a n t t o o l t o s i m u l a t et h ea i r -l i f t l o o pr e a c t o r .T h i s p a p e r r e v i e w st h e p r o c e s s o f s i m u l a t i o nu s i n gC F D a n dt h er e s e a r c hp r o g r e s s a b o u t t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h ef l u i di nt h ea i r -l i f t l o o p r e a c t o r ,a n d s o m e p r o b l e m s i nt h e C F Ds i m u l a t i o na r e s u m m a r i z e d .I n a d d i t i o n ,t h e f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s a r e p r o p o s e d .K e y w o r d s :C o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s (C F D );s i m u l a t i o n ;a i r -l i f t l o o pr e a c t o r 气升式环流反应器(a i r -l i f t l o o pr e a c t o r ,简称A L R ),是环流反应器中应用最为广泛的一种,它是以鼓泡塔为基础在内部增设导流装置发展起来的,是一类高效的处理气-液、气-液-固多相过程的接触性反应装置[1]。
气升式外环流反应器研究进展石东升;温佳文;宋晓丽;张庆文;洪厚胜【摘要】综述气升式外环流反应器的特性参数及其主要影响因素,介绍气升式外环流反应器在生物及环境领域的应用研究进展,并提出今后研究工作的方向.%The characteristics parameter and major factors of influencernon external-loop airlift reactors were reviewed, and the applications of external-loop airlift reactors in the biological and environmental fields were introduced, the development of future research was alsornpresented.【期刊名称】《食品与机械》【年(卷),期】2012(028)002【总页数】4页(P261-264)【关键词】外环流;气升式反应器;特性参数;应用【作者】石东升;温佳文;宋晓丽;张庆文;洪厚胜【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009【正文语种】中文气升式外环流反应器（ELALR）是一类在鼓泡塔的基础上发展起来的气－液、气－液－固多相反应器。
以空气为推动力实现流体的循环流动，无需机械搅拌和泵提供推动力，结构简单，高效节能，被广泛用于生物、化工及环境科学领域。
气升式外环流反应器由4个基本部位组成：升气管、降液管、底部连接段和气液分离器。
降液管与升气管完全独立，靠塔顶与塔底两处水平部分分别连接。
当进入反应器内的气体喷射到升气管后，由于喷射气体的动能和升气管内流体密度减小，迫使升气管内流体向上，降液管内的流体向下作有规则的循环流动，从而形成良好的混和效果。
气升式外环流反应器流体力学参数的轴径向分布气升式外环流反应器是一种常用的化学反应器，其内部包括一个旋转的外环，通过外部气流将反应液体进行强制循环。
在气升式外环流反应器中，流体力学参数的轴径向分布对于反应的效率和选择性有着重要的影响。
轴向分布轴向分布是指在流体沿着轴向运动时，各种流体力学参数的变化情况。
在气升式外环流反应器中，轴向分布主要包括流动速度、浓度分布、温度分布、压力分布等。
首先是流动速度的轴向分布。
在气升式外环流反应器中，由于外环的旋转和气体的强制通入，使得液体形成强制环流，流速会随着距离外环的距离增加而逐渐降低。
同时，流速也会随着初始填充液体的高度增加而增加。
其次是浓度分布的轴向分布。
由于外环的强制循环和内部的氧气通入，在气升式外环流反应器中通常是异相反应，反应物的浓度会随着轴向的加深而逐渐降低。
当反应处于平衡状态时，反应物浓度的降低速率会逐渐变慢，同时生成物的浓度会逐渐增加。
温度分布的轴向分布与浓度分布类似，温度随着轴向加深而发生变化。
反应过程通常会伴随着热效应，因此反应区域的温度会随着反应的进行变化，出现明显的温度梯度。
若温度梯度过大，会影响反应效率和选择性。
最后是压力分布的轴向分布。
由于气流进入和流出的影响，气升式外环流反应器内部会存在压力的变化。
一般而言，压力会随着轴向加深而逐渐降低。
在反应过程中，一些反应物或生成物可能会起泡，压力的变化可能会影响气泡的生成，因此也会影响反应效率和选择性。
最后是压力分布的径向分布。
在气升式外环流反应器中，外部气流的通入和流出会形成一定的压力差，使得液体呈现出中心较高、边缘较低的趋势。
若压力差过大，会影响反应效率和选择性，同时也会对设备造成安全隐患。
总结。
导流筒直径对气升式环流反应器流动的影响和放大研究杜峰;杨志方【摘要】使用欧拉-欧拉双流体模型考察了重油-氢气体系在温度703.15 K和压力11 MPa下,导流筒直径对气升式环流反应器内气、液两相流动的影响和放大规律,为悬浮床工业装置提供理论指导.模拟结果表明,导流筒直径过大或者过小都会造成气含率和环流液速最大值沿径向出现一定偏移.当导流筒直径与反应器外简直径之比(Di/Do)为0.70时,反应器内流动性能达到最佳.反应器体积较小时,Di/Do对反应器内流动改变不大;在放大过程中,整体气含率随着Di/Do增加先增加后趋于稳定,整体环流液速先增加后减小.对体积为23.03 m3的环流反应器来说,Di/Do为0.75时流动性能较好;当反应器体积进一步放大至109.42 m3和208.42 m3时,流动特性在Di/Do为0.70时更好;放大过程中Di/Do最优区间出现一定的“左移”现象.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2016(032)004【总页数】9页(P725-733)【关键词】数值模拟;气、液两相流;气含率;导流筒直径;上升管;放大【作者】杜峰;杨志方【作者单位】中国石油大学化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学化学工程学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TE624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-重油体系考察了工艺条件下导流筒直径对反应器内流动的影响和放大规律，为悬浮床工业放大提供一定的理论指导。
1.1 物理模型和网格划分本研究中采用气升式环流反应器，模拟对象为重油-氢气体系。
反应器体积109.42 m3，在反应器底部安装气-液混进喷嘴，其距离锥底的距离为1.47 m。
不同导流筒直径的反应器具体结构尺寸参数列于表1。
A、B、C、D分别对应导流筒直径为1.56、1.68、1.80和1.92 m的气升式环流反应器。
其中导流筒直径为1.80 m的气升式环流反应器实验装置物理模型和网格划分示于图1，喷嘴结构示于图2。
该反应器共有5个喷嘴，中心位置喷嘴与周围任一喷嘴夹角为45°，喷嘴直径40 mm。
采用GAMBIT软件对环流反应器进行三维网格划分。
气-液分离区流态比较简单，该区主要采用六面体网格划分，划分尺寸为0.15 mm。
笔者主要研究上升区、下降区和反应器底部的流动情况。
对这些区域进行网格加密，采用0.12 mm进行六面体网格划分；喷嘴附近结构比较复杂，采用四面体进行网格划分，划分尺寸为0.03 mm。
1.2 数学模型采用欧拉-欧拉多相流模型模拟气、液两相的流动。
该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，可以是气体、液体和固体。
黏性模型选用标准k-ε模型[7-9]。
具体控制方程如式(1)～(7)所示。
1.2.1 连续性方程式(1)中，表示散度；αφ为φ相体积分数；ρφ为φ相密度，kg/m3；uφ为φ相速度，m/s。
1.2.2 动量方程式(2)中，g为重力加速度，m/s2；P为压力，Pa；Fφ为气-液相间作用力；FTD为气泡的湍动耗散力；τφ为应力项，包括两部分基于分子黏性的平均应力τm和湍流应力τt，二者的表达式为式(3)、式(4)。
τm=式(3)、式(4)中，k为湍流动能，J；ν为运动黏度，m2/s；I为湍动强度，%。
曳力模型采用Schiller and Naumann方法[22-23]，如式(5)所示。
式(5)中，CD为曳力系数，无量纲。
1.2.3 k方程和ε方程式(6)、式(7)中，t为时间，s；ρ为密度，kg/m3；ε为湍流耗散率，%；ui为i相速度，m/s；Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为浮力引起的湍动动能k的产生项；μ为湍动黏度，kg/(m·s)；为湍流有效黏度，kg/(m·s)；Xi 、Xj为i和j相沿X方向的值，m；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε为常数，它们取值分别为1.44、1.92、0.09、1.0、1.3。
1.3 计算条件以悬浮床实际装置为基准，其工艺条件为温度703.15 K和压力11 MPa。
该工艺条件下，重油的密度和动力黏度分别为714.17 kg/m3和0.000893 Pa·s，H2的密度和动力黏度分别为9.22 kg/m3和0.0000193 Pa·s。
模拟计算条件与工艺条件一致，液面高度14.5 m，表观气速0.1243 m/s、表观液速0.0086 m/s。
喷嘴入口为速度入口边界条件，出口为压力出口条件，边壁设置为无滑移边界条件，采用单气泡模型，尺寸设为2 mm。
气含率和环流液速是表征流动特性的重要参数。
气含率表明气、液接触面的状况，对反应器内传热和传质有重要影响；环流液速是影响床层气含率、固含率及其分布的重要因素，环流液速的改变会影响反应器内混合效果[17]。
笔者采用这两个参数进行表征。
2.1 实验验证对冷模实验装置进行实验验证来保证所建模型的正确性。
装置中反应器为气升式环流反应器，反应器尺寸φ 0.2 m×2.5 m，导流筒尺寸φ 0.14 m×1.5 m，壁厚5 mm。
在反应器底部安装气体分布器，距离筒底50 mm，空气经过压缩机和水经过水泵由气体分布器进入。
实验体系为空气-水，在常温常压下进行实验。
采用压差法测量气含率，采用脉冲示踪剂法测量环流液速。
为了保证模型的可靠性，模拟了表观气速为0.027、0.068、0.108和0.135 m/s下的整体气含率和下降区环流液速变化规律，并与实验结果对比，结果如图3所示。
由图3可以看出，随着表观气速的增加，整体气含率单调增加，数据模拟结果与实验结果基本保持一致，但是仍然有所差别。
可能的原因是实验采用压差法和脉冲示踪剂法测量计算气含率和环流液速，本身不可避免会产生误差，模拟计算采用模型与气泡实际行为也会有所偏差，都会给结果带来误差。
虽然存在这种现象，但通过分析计算可以得出，整体气含率的偏差在6.16%～12.24%之间，环流液速的偏差在2.3%～10.4%之间，低于传统经验关联式[24](30%～40%之间)，说明本研究中建立的数学模型基本可靠，可用于预测气升式环流反应器的流动行为。
2.2 导流筒直径对流动的影响规律考察了体积为109.42 m3的气升式环流反应器导流筒直径/反应器外筒直径比(Di/Do)对流动特性的影响规律，Di/Do分别为0.65、0.70、0.75和0.80时，计算得到的气含率和环流液速如图4和图5 所示。
图6为不同导流筒直径下气升式环流反应器内轴向高度分别为3.0、6.0、9.0和12.0 m处气含率的径向分布。
图6中，r/R表示径向位置与外筒的比值(0表示中心位置，1表示外筒位置)，虚线为导流筒所在位置，左右侧分别是上升区和下降区。
由图6(b)可知，对于Di/Do为0.75的反应器中心位置来说，在一定范围内气含率随着轴向位置增加逐渐减小，当轴向高度达到9 m后，随着轴向高度继续增加，气含率变化减小，上升区内气含率沿着径向分布逐渐变宽。
造成这种现象的原因是，上升区轴向位置较低时，气体主要集中在中心处，随着轴向位置增加流动逐渐发展，气体沿径向扩散逐渐增强；当轴向位置增到一定高度时，流动得到充分发展，上升区的气含率沿轴向分布逐渐趋于稳定。
下降区的气含率沿轴向变化表示气泡主要集中于下降区的上部，下部由于气泡所受压力较大而不易到达。
对于Di/Do为0.65、0.70和0.80的环流反应器来说，气含率有相似的分布规律。
同时，对于Di/Do为0.65和0.80的反应器来说，导流筒内气含率最大值沿径向中心位置存在一定的偏移，这表示导流筒直径过大或者过小都会引起一定的偏流，流动较差。
图7为气升式环流反应器上升区、下降区和整体气含率随其Di/Do的变化。
由图7可知，随着Di/Do的增加，上升区气含率呈现递增趋势，下降区呈现先增加再减小的趋势，整体气含率呈现先增加然后基本不变的趋势。
当Di/Do较低时，导流筒和外筒壁之间空隙较大，环流阻力较小，气泡运动速度较大，气泡在反应器内停留时间较短，此时气含率较低；在一定范围内随着Di/Do的增加，导流筒和外筒壁之间空隙逐渐减小，环流阻力增大导致气泡在反应器内停留时间增加，因此上升区和下降区气含率逐渐增大；当Di/Do达到0.70～0.75时，整体气含率基本不再变化，上升区气含率仍在增加，下降区气含率达到最大值。
继续增大Di/Do，上升区气含率继续增加，下降区气含率突然下降，这是由于导流筒和外筒壁之间空隙进一步缩小，环流阻力进一步增加，导致气泡不易被夹带至下降区，下降区气含率有所减小，而气泡在上升区停留时间继续增加，导致上升区气含率继续增加，两者综合效果使整体气含率变化不大。
