鼓泡塔列管传热系数的测量与估算

在φ500 mm×5000 mm的冷模实验装置中,使用自制传热探头,对无内构件的空塔和安装31根竖直换热列管的鼓泡塔内列管传热系数进行了测量.实验表明,列管传热系数随表观气速的增加而增大,传热系数沿径向呈抛物型分布,垂直列管内构件的加入使得传热系数的径向分布变得更为陡峭.基于表面更新理论,结合鼓泡塔内气含率和液速分布的测量及计算结果,提出了计算传热系数的数学模型.该模型既可以用于空塔的局部传热系数与平均传热系数计算,也可以用于安装列管束的局部传热系数与平均传热系数计算.模型计算值与实验数据符合良好,最大相对误差为5.62％.     

气体分布方式对带列管内构件的鼓泡塔流动规律的影响

在带列管内构件的鼓泡塔内测量了4种不同布气方式下的气含率和液速径向分布,并与无列管内构件的空塔中的分布进行了比较。结果表明:中心布气条件下气含率与液速的径向分布比空塔更为陡峭;环隙及近壁布气时呈现出环隙高、两边低的马鞍形分布;均匀布气时径向分布较空塔更为平坦。空塔内气体分布器的影响是局部性的,充分发展段在塔内占主要部分;而在列管塔中气体分布器的影响是全局性的,气含率与液速的初始分布决定着其全塔分布。在带列管的大型鼓泡塔中难以观察到充分发展段的存在,因此,气体分布器的设计具有比空塔更为重要的意义。     

气体分布方式对带列管内构件的鼓泡塔流动规律的影响

在带列管内构件的鼓泡塔内测量了4种不同布气方式下的气含率和液速径向分布,并与无列管内构件的空塔中的分布进行了比较。结果表明：中心布气条件下气含率与液速的径向分布比空塔更为陡峭;环隙及近壁布气时呈现出环隙高、两边低的马鞍形分布;均匀布气时径向分布较空塔更为平坦。空塔内气体分布器的影响是局部性的,充分发展段在塔内占主要部分;而在列管塔中气体分布器的影响是全局性的,气含率与液速的初始分布决定着其全塔分布。在带列管的大型鼓泡塔中难以观察到充分发展段的存在,因此,气体分布器的设计具有比空塔更为重要的意义     

列管束内构件对鼓泡塔流动发展的影响

在Φ500 mm×4000 mm的大型冷模实验装置内考察了列管束内构件对鼓泡塔流动发展的影响。以空气-水为工作体系,分别采用电导探针和Pavlov管测量了有、无列管的鼓泡塔内不同轴向高度的气含率和液体流速径向分布。实验表明,在安装密集列管束的鼓泡塔内也存在一个充分发展段。与空塔不同的是,列管束的存在使分布器影响区显著延长,从空塔的约两倍塔径高度增至约四倍塔径高度,在冷模装置中占据塔体积的50%以上。在实验条件下,鼓泡塔高径比或液位高度对分布器影响区大小没有明显影响。     

湍动浆态床流体力学研究(Ⅴ)-带多层水平网格的浆态床流体力学模型

水平布置的多层筛网是最简单的阻尼型内构件,用于改善流动分布。在安装多层筛网的?500×5000鼓泡塔冷模装置中进行了流速分布与气含率分布测定。实验表明,网格型内构件可以有效抑制塔中心区过快上升的流速,改善其分布。网孔越小,流动阻尼效果越明显,同时平均气含率也会有所增大。提出了与列管内构件相似的一维流体力学模型,将网格内构件对流体的阻尼效果作为体积源来考虑,湍流耗散方程中的参数值c3=1.0,c4=1.3与列管束内构件略有不同。模型计算与实验数据符合良好,能够定量描述网格型阻尼内构件对流场的影响。     

Studies on hydrodynamics of turbulent slurry bubble column (Ⅴ)：Modeling of the bubble column with multi-layer screens

水平布置的多层筛网是最简单的阻尼型内构件,用于改善流动分布。在安装多层筛网的?500×5000鼓泡塔冷模装置中进行了流速分布与气含率分布测定。实验表明,网格型内构件可以有效抑制塔中心区过快上升的流速,改善其分布。网孔越小,流动阻尼效果越明显,同时平均气含率也会有所增大。提出了与列管内构件相似的一维流体力学模型,将网格内构件对流体的阻尼效果作为体积源来考虑,湍流耗散方程中的参数值c3=1.0,c4=1.3与列管束内构件略有不同。模型计算与实验数据符合良好,能够定量描述网格型阻尼内构件对流场的影响。     

Hydrodynamics of turbulent slurry bubble column (Ⅳ)Modeling and simulation of bubble column with vertical pipe bundles

工业浆态床反应器一般都安装有密集的换热列管,列管束的存在使得速度和气含率的径向分布趋于陡峭,形成“烟囱效应”,目前对此还缺乏合适的流体力学模型进行定量描述。本文提出两点新思路以解决列管束的模拟问题：一是将密集列管束的影响作为体积源项而不是边界条件来考虑,在标准k-ε方程中增加与列管阻力相关的动量源、湍动源、耗散源本构关系;二是采用气泡群的径向升力和湍流扩散力平衡方程确定气含率径向分布。新模型中引入的阻力系数由流体力学文献给出,只有两个径向力和耗散参数需实验确定。模型计算的气含率和液速分布在宽泛的条件下与实验测量值符合良好,能够定量描述“烟囱效应”以及内构件参数对流动的影响。     

Studies on hydrodynamics of turbulent slurry bubble column（Ⅲ）Effect of vertical pipe bundles

浆态床反应器内部往往安装有密集的竖直列管换热内构件,有关列管束对流场分布的影响还少有研究。本文在Φ500 mm×5000 mm的大型冷模实验装置中测定了安装不同密度列管束时的速度分布和气含率分布。实验表明,列管的存在一方面会显著提高浆料轴向速度,促进大尺度流体循环,另一方面也抑制了液体与气泡的径向湍动,使速度和气含率的径向分布更不均匀,造成液体与气体轴向返混加剧,增大了有列管束的浆态床反应器的放大风险。在低气速湍动鼓泡条件下,列管加入造成的“烟囱效应”将更为显著。     

鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示二维模拟使用RNG k-ε湍流模型、三维模拟使用标准k-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。     

湍动浆态床流体力学研究（Ⅲ）垂直列管内构件的影响

浆态床反应器内部往往安装有密集的竖直列管换热内构件,有关列管束对流场分布的影响还少有研究。本文在Φ500 mm×5000 mm的大型冷模实验装置中测定了安装不同密度列管束时的速度分布和气含率分布。实验表明,列管的存在一方面会显著提高浆料轴向速度,促进大尺度流体循环,另一方面也抑制了液体与气泡的径向湍动,使速度和气含率的径向分布更不均匀,造成液体与气体轴向返混加剧,增大了有列管束的浆态床反应器的放大风险。在低气速湍动鼓泡条件下,列管加入造成的“烟囱效应”将更为显著。     

带阻尼内构件鼓泡塔的研究(Ⅰ)——内构件对流速分布的影响

针对大型鼓泡塔径向流速分布不均易导致中心区域气体短路的问题,提出了在中心区域布置阻尼内构件改善流速分布的方案。冷模实验表明,阻尼内构件的加入可以有效地改善中心区域气-液流速分布,阻尼内构件尺寸对流速分布有显著影响。引入了阻力密度函数来表征阻尼内构件的影响,采用拟均相流动模型模拟含阻尼内构件的塔内流速分布,计算结果与实验测量值大体相符。     

带阻尼内构件鼓泡塔的研究(Ⅱ)——内构件对气液传质速率的影响

采用化学吸收法实验考察了鼓泡塔内部的阻尼内构件对气液传质速率的影响.结果表明.在流速最高的塔中心区域设置阻尼内构件不但可以改善流速分布.而且还能显著地促进气液传质.在合适的阻尼面积密度范围内,安装内构件后气液传质速率可提高10%～30%,其机理是内构件的存在强化了流体的局部湍动.将鼓泡塔内大尺度的平均流动动能转化为小尺度的局部湍动动能.     

Bubble column with internals: Effects on hydrodynamics and local heat transfer

Local heat transfer and column hydrodynamics are investigated in a bubble column in presence of internals of different configurations. The liquid phase used is tap water and the gas phase is oil-free compressed air. The gas velocity is varied over a wide range of 0.03–0.35 m/s. The heat transfer variations are measured with a fast response probe capable of capturing bubble dynamics as well as detect local flow direction and deduce local liquid velocity. Measurements obtained in presence of internals are compared with those without internals to elucidate the effects of different internals design. Comparisons are based on average values and temporal variations obtained with the fast response probe. The average gas holdup, local liquid velocity and bubble fractions holdups obtained with and without internals are also compared to further point out the differences. The observed differences are discussed based on the insights provided by these comparisons. The results obtained show influence of internals design on column hydrodynamics which need to be considered for their proper design and modeling.     

Enhancement in gas holdup in bubble columns through use of vibrating internals

Including internals in bubble columns is known to enhance the gas holdup. In this paper, a method to achieve this objective substantially has been proposed via the use of vibrating helical spring internals. Experimental observations on effect of vibrating internals such as vibrating helical springs on gas holdup in bubble columns are presented. Effects of superficial gas velocity, H/D ratio (height of the static liquid to column diameter ratio), volume fraction of helical springs, and thickness of the helical spring wires on hydrodynamics parameters are studied. Increase in gas holdup up to 135% is observed by using vibrating helical spring internals in bubble columns compared to bubble columns without internals. This method offers a simple, cost‐effective, and easy way to enhance gas holdup even at high gas fluxes. It has been reported that this enhancement stems from the fact that the vibrating springs breakup the gas into fine bubbles, which effectively reduces their rise velocity and enhances their average residence time in the liquid column.     

多级鼓泡塔内液体速度分布的实验研究

液体循环流动是多级鼓泡塔重要流体力学特征之一,文中在内径为282 mm,高2000 mm的鼓泡塔内,采用不同类型的筛板将普通鼓泡塔分割成双级气液鼓泡塔.采用Pavlov管测液速的方法考察了不同筛板、不同表观气速下该鼓泡塔中上下二侧的液体速度分布.根据实验结果得出了液体速度在塔中心处最大,且与表观气速有关,随着表观气速的...