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。     

高气速下鼓泡塔中气含率分布的测定

在内径476 mm的鼓泡塔内用压差法测定全塔平均气含率与表观气速的关系,进一步利用响应特性良好的双电导探针,考察了不同气速下局部气含率的分布规律。实验结果表明,利用探针法计算得到的全塔平均气含率值与压差法测定值平均误差仅为4.5%,表明探针法测量局部气含率的可靠性良好。实验还表明在高气速下,除分布板影响区外,局部气含率均类似抛物线型分布;随着气速增加,气含率分布趋于陡峭。以实验为依据,拟合了不同气速下(0.05~1.0 m/s)鼓泡塔中局部气含率的关联式,认为塔内局部气含率与径向位置、表观气速和塔径等因素有关。     

含垂直列管束内构件鼓泡塔的CFD模拟

针对含有密集垂直列管束内构件的气液鼓泡塔,在两相Euler二维轴对称k-ε模型中,分别考虑气相和液相受到的列管阻力。通过引入相应的动量源、湍动源以及耗散源建立带列管内构件的鼓泡塔二维CFD模型。模型能清晰、准确地描述带列管束鼓泡塔中气液流动的特征:"烟囱效应"以及分布器影响区延长。计算得到的气含率以及液速的二维分布在宽泛的表观气速(0.12～0.62 m·s^-1)范围内与实验值相符。     

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.     

逆流鼓泡塔气含率分布的试验测量与CFD模拟

利用热膜测速仪测得了气液逆流鼓泡塔内不同表观气速、表观液速和径向位置下的气液信号,采用改进的阈值法进行分析,得到塔内气含率的径向分布。结果表明气含率在各个截面上都是从塔中心到塔壁逐渐减小;同时利用计算流体力学方法对气液逆流的鼓泡塔内的气液两相流动进行了模拟,计算了不同气速和不同液速下的气含率,计算结果与试验数据吻合较好。     

基于气泡群相间作用力模型的加压鼓泡塔流体力学模拟

目前,多数文献报道了冷态加压湍动鼓泡塔内流动特征,并且通过实验数据回归相关经验关联式。然而,此类关联式适用范围有限,难以直接外推到工业鼓泡塔反应器条件。因此,在FLUENT平台上建立了基于气泡群相间作用力的、动态二维加压鼓泡塔计算流体力学模型。通过数值模拟考察了操作压力为0.5~2.0 MPa,表观气速为0.20~0.31 m·s^-1,内径0.3 m鼓泡塔内流场特性参数分布,并且与冷态实验数据进行比较。结果表明,采用修正后的气泡群曳力模型、径向力平衡模型以及壁面润滑力模型描述气泡群相间作用力,能够较为准确地反映平均气含率和气含率径向分布随操作压力和表观气速变化的规律。     

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...     

基于气泡群相间作用力模型的加压鼓泡塔流体力学模拟

目前,多数文献报道了冷态加压湍动鼓泡塔内流动特征,并且通过实验数据回归相关经验关联式。然而,此类关联式适用范围有限,难以直接外推到工业鼓泡塔反应器条件。因此,在FLUENT平台上建立了基于气泡群相间作用力的、动态二维加压鼓泡塔计算流体力学模型。通过数值模拟考察了操作压力为0.5~2.0 MPa,表观气速为0.20~0.31 m·s~(-1),内径0.3 m鼓泡塔内流场特性参数分布,并且与冷态实验数据进行比较。结果表明,采用修正后的气泡群曳力模型、径向力平衡模型以及壁面润滑力模型描述气泡群相间作用力,能够较为准确地反映平均气含率和气含率径向分布随操作压力和表观气速变化的规律。     

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。     

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。     

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。     

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.     

A statistical approach of heat transfer coefficient analysis in the slurry bubble column

Heat transfer plays an important role in slurry bubble column reactors (SBCRs). Design of heat transfer equipments for SBCRs is a limiting step in sizing and scale up of them. In order to study the convection heat transfer coefficient (CHTC) in industrial SBCRs, a proper column was designed and manufactured in pilot scale with a special convection heat transfer coefficient measurement probe (CHTC MP). In this study, influence of effective parameters such as solid fraction, superficial gas velocity, radial and vertical position of the column was investigated on CHTC. The design of experiments was performed using a full factorial method including 3¹ × 2² × 9¹ = 108 experiments, to determine the main effects, binary and ternary interactions of variables. Study of the curvature functionality of CHTC versus gas velocity and effect of flow regime transition from homogeneous to heterogeneous flow was the other goal of this work. A statistical model including the main variables and their significant binary and ternary interactions was explained for CHTC with a good fitness with experimental data. Interactions of four effective parameters including solid fraction, superficial gas velocity, radial and vertical position of the column was studied for the first time in the SBCRs. A dimensionless correlation for local Stanton number was developed as a function of Pr, Re, Fr, non-dimensional radial position and non-dimensional distance from the sparger. Considering local positions in the correlation is a novel work and this correlation has good agreement with experimental data.     

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。     

湍动浆态床流体力学研究(Ⅳ)带垂直列管束的浆态床流体力学模型与模拟

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...     

竖直管气固鼓泡流化床传热机理的CPFD模拟

针对细颗粒气固鼓泡流化床中床料与竖直传热管壁面间的传热行为,在前期实验的基础上,采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法从颗粒在传热壁面更新的角度,深入分析了传热特性与壁面气固流动行为之间的关联性。结果表明,模拟得到的传热管壁面颗粒更新通量和基于颗粒团更新模型的颗粒团平均停留时间均能很好解释实验测得的传热系数变化规律,这证实颗粒团更新是影响传热过程的控制性因素。模拟还发现随加热管从床层中心向边壁的移动,加热管周向方向上颗粒更新通量和传热系数的不均匀性都呈增大趋势。随着表观气速的增大,气泡行为导致床层颗粒内循环流率增大,这是导致颗粒团在加热管壁面上的更新频率增大以及床层与壁面间传热系数增大的根源。