磁共振成像应用于多相流体动力学研究进展

多相流反应器广泛应用于化工、冶金、能源及医药等过程工业,其内部具有非稳态、非线性、非平衡的自然属性,因而对多相流检测技术提出了挑战。准确检测并理解多相流体力学特性、进而揭示并掌握多相流反应器设计及放大规律,一直是当今过程工程领域的前沿课题之一。磁共振成像(MRI)作为一种非侵入式、多维瞬态全流场先进检测手段,可获得准确详尽的多维流场信息,包括颗粒浓度与速度(脉动)场、流型识别、气泡尾涡、颗粒聚团等多尺度流场参数及介尺度流动结构。此外,MRI在数值模型验证与改进方面也具有良好的应用前景。概述了MRI技术原理,重点论述了MRI近年来在气固及气液反应器中的研究现状,展望了MRI在多相流反应器中有待拓展的方向。     

机器学习在多相反应器中的应用进展

准确理解并精确预测多相反应器内复杂的流体力学特性、传递现象及反应特征,是过程工程领域的热点方向之一。随着试验测量技术及高性能计算机的快速发展,研究者可以获取高精度的多维瞬态流场数据集。近十年来,机器学习作为一门新兴学科,越来越广泛地应用于数据挖掘、图像识别、智能控制等领域。本文概述了几种常用的机器学习方法（包括神经网络模型、支持向量机模型、决策树模型、聚类算法模型等）,总结了机器学习模型的构建过程（包括数据集的建立、特征变量的选择、算法框架的选取、模型参数的调优、模型验证与测试等）,综述了机器学习辅助多相反应器中流场本构模型构建、流场图像重构、流型识别、流场关键参数预测及优化、不确定度分析、数字孪生技术平台等方面的应用进展,剖析了机器学习结合多相反应器领域所面临的挑战,展望了机器学习在多相反应器中可能有待拓展的方向。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程（population balance equation,PBE）是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

多相反应器的非均相特性测量技术进展

为了增大传质和传热面积，多相反应器中分散相通常以颗粒形式（气泡、液滴或固体颗粒）分散、运动于连续相流体中，与周围的连续相及其他分散相颗粒的相互作用使颗粒和颗粒群呈现复杂的时空非均相行为。多相反应器中非均相特性的准确描述是发展准确的反应器模型、进行定量诊断分析和优化设计高效反应器的必要基础。本文总结了多相反应器中颗粒和颗粒群的复杂时空行为，提出了当前多相反应器非均相特性测量正面临的在线测量、高分散相浓度和多分散相等主要难题；综述了多相反应器测量技术研究的进展，指出了PC和PV等光纤测量技术是较经济的高浓度两相反应器的在线测量技术，而侵入式照相法测量结果更准确，具备解决上述测量难题方面的可行性，具备较好的应用前景，但要实现工业在线测量仍存在一些高难度的技术问题需要解决。     

多相流反应器流体力学参数测试技术进展

为加深对多相流反应器流体力学行为的认识和指导工业反应器建模及放大,对现代煤化工和石油化工领域广泛应用的多相流反应器流体力学参数的测试技术进展进行了总结。按照侵入性测试技术和非侵入性测试技术的分类方法,对现有的主要测试技术的原理、适用性和局限性进行了阐述和分析,指出了适合工业级反应器流体力学参数测试的相关技术,并展望了多相流反应器流体力学参数测试技术的发展趋势。     

正电子发射粒子示踪的关键技术与进展

多相流参数检测对工业过程装置的设计和优化至关重要,但其多尺度与内在复杂性限制了对多相流动过程的理解,在流动机制方面仍有许多关键问题尚未明晰。正电子发射粒子示踪(PEPT)是一种面向工业过程中复杂多相流的新型无扰、无损的核成像方法,利用γ光子探测对放射性标记的示踪颗粒进行三维动力学成像。由于γ光子具有高穿透性、不受电磁场影响等特点,使得PEPT在非透明复杂多相流检测上具有独特优势。目前主要应用于化工、食品、制药等工业领域内多相流动现象的测量和系统物理参数提取。然而,小型化示踪颗粒制备困难、多个示踪颗粒同时定位效果差等问题严重阻碍了PEPT技术的进一步应用和推广。本工作首先介绍了PEPT技术的基本原理;然后重点从示踪颗粒、算法、硬件系统、数据处理及应用等方面讨论了PEPT关键技术及其研究进展,并指出其中存在的问题和潜在的发展方向;最后,对PEPT技术的发展和应用进行总结和展望。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程(population balance equation,PBE)是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

颗粒群研究：多相流多尺度数值模拟的基础

用两流体模型及颗粒轨道模型数值模拟过程工程设备中的多相流,都需要表达浓度较高的分散相和连续相间的作用力的本构方程. 本工作综述了多相流中颗粒受力研究的现状和尚待解决的问题. 对单个颗粒(包括流体颗粒)在静止和运动流体中的受力情况的研究结果比较丰富,但对颗粒群的研究则很不充分. 对颗粒受的曳力研究较多,但还缺乏可信的计算升力、非稳态力等的公式. 因此颗粒群的研究成为多相流准确多尺度数值模拟的关键. 开发能处理整体和局部均存在非均匀性的多相流的高效算法也是有待克服的困难.     

旋转填充床CFD模拟研究进展

旋转填充床（RPB）反应器凭借填料对液体的切割破碎作用，可以显著强化多相流之间的质量传递，大幅度减少反应时间。但是旋转填充床内部结构和流体力学规律极为复杂，即便使用高速摄像机也很难准确描述填料内的流动和传质规律。计算流体动力学（CFD）凭借其能够有效模拟多相流动过程中的流动和传质规律的独特优势，近年来已被许多研究人员用来模拟RPB反应器中的流动和反应特性。本文综述了近些年来学者利用CFD技术模拟旋转填充床反应器的研究进展，并着重总结了多相流模型的选取、边界条件的确定以及旋转填充床的简化方法等CFD计算中的关键部分。     

CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

浆态床反应器流体力学行为研究及工业应用

浆态床是一种重要的气-液-固三相反应器,具有结构简单,传热、传质性能好以及催化剂可在线补加和更换等优点,在学术研究和工业应用上备受关注。对浆态床反应器的流型、气含率、气泡行为、传质、传热等研究进行了总结,并对温度、压力、液体性质等参数对于流体力学性质的影响进行了分析。介绍了多级浆态床和构件式浆态床新型反应器,对浆态床在大化工、精细化工及环保等重要过程中的工业应用进行了总结,并对浆态床反应器的应用前景和研究趋势进行了展望。     

多相流搅拌反应器研究进展

综述了近五年冷态气液固三相搅拌反应器的研究成果,阐明近期研究热点已转为热态多相流搅拌反应器的流体力学行为。概述了热态气液两相体系中通气功率、混合时间、局部及总体气含率的研究结果。指出今后研究重点应为热态的固液悬浮、气液传质过程及其机理,同时说明用计算流体力学（CFD）对气液固三相搅拌反应器的数值模拟仍属起步阶段。     

Measuring techniques in gas-liquid and gas-liquid-solid reactors

This article offers an overview of the instrumentation techniques developed for multiphase flow analysis either in gas/liquid or in gas/liquid/solid reactors. To characterise properly such reactors, experimental data have to be acquired at different space scale or time frequency. The existing multiphase flow metering techniques described give information concerning reactor hydrodynamics such as pressure, phases holdups, phases velocities, flow regime, size and shape of dispersed inclusions, axial diffusion coefficients. The measuring techniques are presented in two groups: the non-intrusive techniques that deliver global, cross-section-averaged or local data, and the intrusive probes that are dedicated to local measurements. Eventually some examples of multiphase instrumentation development are reported (trickle-bed and slurry bubble column at semi-industrial scale) in the refinery or petrochemical area.     

旋转泡沫填料反应器的研究进展

旋转泡沫填料反应器是一种新型多相搅拌釜式反应器,其将传统的搅拌桨替换成圆环型泡沫填料,可有效强化反应器内多相间传质混合过程,且多孔填料可作为催化剂载体,能减小多相催化反应中固体催化剂的使用量,具有替换传统多相搅拌釜式反应器和浆态反应器的潜力,将有较好的应用前景。本文详细阐述了旋转泡沫填料反应器的结构和反应器内多相流动形式,着重介绍了反应器内多相流动特性的研究进展及反应器内传质性能的研究现状,并与传统的多相反应器传质性能进行比较;从应用方面分析了反应器用于葡萄糖催化氧化、苯乙烯催化加氢等多相过程的强化方式及优势,通过对比得出旋转泡沫填料反应器能有效降低化工过程中物耗、提高物料的利用率;介绍了与旋转泡沫填料反应器类似的其他多孔式搅拌桨反应器的研究进展,分析了这类反应器的优势,并对其性能进行对比;最后,对旋转泡沫填料反应器研究的不足及未来的发展进行了阐述和展望。     

NONUNIFORMITY OF TWO PHASE FLOW IN CAPILLARY SYSTEMS

Gas-liquid flow in simple systems consisting of capillaries is analyzed by theory of irreversible thermodynamics so as to shed light on induction of nonuniformity of multiphase flow. By the Prigogine's theorem of minimum entropy production, stability of uniform two-phase flow and possible transition to nonuniform distribution are discussed. The analysis of model systems suggests potential application of irreversible thermodynamics to research of multiphase hydrodynamics in chemical reactors.     

Modelling and simulation of trickle‐bed reactors using computational fluid dynamics: A state‐of‐the‐art review

Trickle‐bed reactors (TBRs), which accommodate the flow of gas and liquid phases through packed beds of catalysts, host a variety of gas–liquid–solid catalytic reactions, particularly in the petroleum/petrochemical industry. The multiphase flow hydrodynamics in TBRs are complex and directly affect the overall reactor performance in terms of reactant conversion and product yield and selectivity. Non‐ideal flow behaviours, such as flow maldistribution, channelling or partial catalyst wetting may significantly reduce the effectiveness of the reactor. However, conventional TBR modelling approaches cannot properly account for these non‐ideal behaviours owing to the complex coupling between fluid dynamics and chemical kinetics. Recent advances in the application of computational fluid dynamics (CFD) to three‐phase TBR systems have shown promise of achieving a deeper understanding of the interactions between multiphase fluid dynamics and chemical reactions. This study is intended to give a state‐of‐the‐art overview of the progress achieved in the field of CFD simulation of TBRs over the past two decades. The fundamental modelling framework of multiphase flow in TBRs, advances in important constitutive models, and the application of CFD models are discussed in detail. Directions for future research are suggested.     

Recent Advances in MRI Studies of Chemical Reactors: Ultrafast Imaging of Multiphase Flows

NMR has long been established as an in situ technique for studying the solid-state structure of catalysts and the chemical processes occurring during catalytic reactions. Increasingly, pulsed field gradient (PFG) NMR and magnetic resonance imaging (MRI) are being exploited in chemical reaction engineering to measure molecular diffusion, dispersion and flow hydrodynamics within reactors. By bringing together NMR spectroscopy, PFG NMR and MRI, we are now able to probe catalysts and catalytic processes from the angstrom-to-centimeter scale. This article briefly reviews current activities in the field of MRI studies applied to catalysts and catalytic reactors. State-of-the-art measurements, which can already be used in real reactor design studies, are illustrated with examples of single-phase flow with and without chemical reaction in a fixed-bed reactor. The ability to obtain high spatial resolution (< 200μm) in images of the internal structure and flow field within reactors is demonstrated, and the potential uses of these data in reactor design and understanding bed fouling phenomena are discussed. In particular, MRI has produced the first detailed measurements of the extent of heterogeneity in the flow field within fixed-bed reactors. The example of a fixed-bed esterification process is used to show how NMR spectroscopy and MRI techniques can be combined to provide spatially resolved information on both hydrodynamics and chemical conversion within a process unit. The emerging area of ultrafast MRI is then highlighted as an area of particular interest. Recent advances have demonstrated that it is possible to record 2D images over timescales of ～100ms in the magnetically heterogeneous environments typical of heterogeneous chemical reactors. These advances open up opportunities to image many unsteady state processes for the first time. Examples are given of real-time visualization of bubble-train flow in a ceramic monolith and exploring the stability of the gas–liquid distribution as a function of liquid flow rate in a trickle-bed reactor.