CFD优化大型浅层鼓泡塔管式气体分布器结构

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鼓泡塔反应器综述

目录1 鼓泡塔反应器简介 (1)1.1 鼓泡塔的概念 (1)1.2 鼓泡塔的结构 (1)1.3 鼓泡塔类型 (2)1.3.1空心式 (2)1.3.2 多段式 (3)1.3.3 循环式 (3)1.4 鼓泡塔反应器的操作状态 (4)2 鼓泡塔反应器的流体力学特性 (6)2.1气泡直径 (6)2.2含气率 (6)2.3气液比相界面积 (7)2.4鼓泡塔内的气体阻力ΔP (7)2.5返混 (8)3 鼓泡塔反应器的传质、传热特性 (9)3.1鼓泡塔的传质 (9)3.2鼓泡塔的传热 (9)4 鼓泡塔反应器的数学模型 (11)4.1 双流体模型 (11)4.2 湍流模型 (11)5 鼓泡塔反应器的工业应用实例 (13)1 鼓泡塔反应器简介1.1 鼓泡塔的概念鼓泡塔是在塔体下部装上分布器，将气体分散在液体中进行传质、传热的一种塔式反应器。

优点：气相高度分散于液相中，具有大的液体持有量和相界接触面，传质和传热效率高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况；结构简单，操作稳定，投资和维修费用低，被广泛应用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化等工业过程。

缺点：液相有较大的返混，气相有较大的压降。

当高径比大时，气泡合并速度增加，使相际接触面积减小。

1.2 鼓泡塔的结构图1.2 简单鼓泡塔气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传质。

是气液相鼓泡塔的关键设备之一，型式：多孔板，喷嘴，多孔等，为鼓泡塔主要结构之一，另一主要结构为塔体。

换热装置： 1、夹套式：热效应不大时。

2、蛇管式：热效应较大时。

3、外循环换热式：热效应较大时塔体可安装夹套或其它型式换热器或设有扩大段、液滴捕集器等；塔内液体层中可放置填料；塔内可安置水平多孔隔板以提高气体分散程度和减少液体返混。

1.3 鼓泡塔类型1.3.1空心式图1.3.1 空心式鼓泡塔图1.3.2 多段式鼓泡塔空心式鼓泡塔如图1.3.1所示，塔内不含塔板和液体分布器，最适用于缓慢化学反应系统或伴有大量热效应的的反应系统。

气液鼓泡床泡罩式气体分布器流场的CFD模拟

笔者利用三维模型对泡罩气体分布器的性能进行气体单相数值模拟，较系统地从分布器的各种设
计参数对其布气性能的影响进行分析，从而得出各参数对分布器性能影响的一般规律，为泡罩分布器的优化及设计提供基础理论和优化思路。
３４１３正
气液鼓泡床泡罩式气体分布器流场的ＧＦＤ模拟
巫春连魏耀东蔡连波陈强
（１．中国石油大学（北京）化工学院；２．中国石化集团洛阳石油化工工程公司）
摘要采用ＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴ商用ＣＦＤ软件对气液鼓泡床内泡罩式气体分布器单体进行了数值模拟。以Ｕ＝１２．３４ｍ／ｓ的入口速度对计算模型进行单相三维稳态模拟。研究了泡罩内径、泡罩齿片和入口管开孔分别对塔内不均度和泡罩式气体分布器的压降影响规律。研究表明，随着泡罩内径的增加，塔内不
／ａ，
动量方程－￣（ｐｕ）＋（ｐｕｕ）＝－Ｉ＂－ｐ＋ｐｇ（）
其中，ｒ为应力张量，由下式计算得出：
譬／．ｔＴ：一ｕ
＝
／ｚ＋
：
ｐ
、
占
４；
湍动能ｋ的输运方程：
不存在非常小的气孔，具有防堵塞的突出优点，因

鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟_李光

Abst ract : Numerical simulatio ns o f gas-liquid f low in a cy lindrical bubble column wi th tw o-fluid approach were conducted at superficial gas veloci ties varying f rom 0 . 02 m · s -1 t o 0 . 30 m · s -1. A si ng le scalar t ranspo rt equati on w hich described bubble size chang es characterized by bubble int erfacial areas w as also i ncorporated into t he simulatio ns. In t he model s , the eff ect o f bubble co alescence and break-up w as taken i nt o conside ration. A modif ied kεt urbulence m odel was used t o describe liquid phase turbulence in the simulatio ns , by acco unti ng fo r t he pseudo t urbulence due to bubbles , w hile t he g as phase turbulence viscosit y w as estim ated based on t he T chen' s t heo ry. The simulations only adopted the drag force fo r phase momentum exchange . The time averaged axial liquid velocities , gas hold up and gas phase interfacial areas obtained from the simulations were compared w ith the available ex perimental result s. I t w as demo nst rated f rom the simulatio ns that the modeling in t his w o rk can reaso nably predict t he g as-liquid f low in the bubble column . Key w o rds :bubble column ; gas-liquid f low ; bubble model ; coalescence ; break-up

鼓泡塔反应器的特点结构、传质、工艺计算

计算液膜传质过程可用以下公式：sh 来自k LA d b D LA
SCL
L DLA
L
Re b
dbuOGL
L
.072 1 0 bg3 0 .484 0 .339d Sh 2 .0 C Re S b CL 2/3 D LA

鼓泡塔的气体压降ΔP： ΔP=分布板小孔压降+鼓泡塔静压降 =
3 2 u 10 0 G H g R R 2 C 2
kpa
式中 C2=0.8 （小孔阻力系数） u0：小孔气速，m/s 鼓泡层密度,kg/m3

鼓泡塔的传质一般气膜传质阻力较小，可以忽略，液膜传质阻力的大小决定了
传质速率的快慢。
欲提高单位相界面的传质速率，即提高传质系数，则必须提高扩散系数。扩散系数不仅与液体物理性质有关，而且还与反应温度、气体反应物的分压或液体浓度有关。当鼓泡塔在安静区操作时，影响液相传质系数的因素主要是气泡大小、空塔气速、液体性质和扩散系数等；而在湍动区操作时，液体的扩散系数、液体性质、气泡当量比表面积以及气体表面张力等，成为影响传质系数的主要因素。
VOL
C AO x A rA
其中：（-rA）':实测的宏观速度。
VG：
VL G VG 1 G
VR：
V V G V V V L R G L G 1 G
4、VE：
当液滴移动速度小于0.0001m/s HE=αED 当D<1.2m HE≥1m D≥1.2m αE=0.75
VE D2HE 4

VC：
式中：形状系数，球盖： =1 标准椭圆形封头： =2

鼓泡塔反应器的特点结构讲解

聚并，故效率较低。
储液量大，适于速度慢和热效应大的反应。液相轴向返混严重，连续操作型
反应速率明显下降。在单一反应器中，很难达到高的液相转化率，因此常用多级彭泡塔串联或采用间歇操作方式
结构
塔体：气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传质。是气液相鼓泡塔的关键设备之一。型式：多孔板喷嘴多孔管等 3、换热装置：夹套式：热效应不大时。蛇管式：热效应较大时。外循环换热式：热效应较大时。 4、水平多孔隔板：提高气体分散度，减少液体纵向循环。
2）。图1 空心式鼓泡塔
1－塔体；2－夹套； 3－气体分布器
图2 具有塔内热交换单元的鼓泡塔
www,
为克服鼓泡塔中的液相返混现象，当高径比较大时，常采用多段鼓泡塔，以提高反应效果（见图3）。
图3多段式气液鼓泡塔
www,
当高粘性物系，例如生化工程的发酵、环境工程中活性污泥的处理、有机化工中催化加氢（含固体催化剂）等情况，常用气体提升式鼓泡反应器（见图4）或液体喷射式鼓泡反应器（见图5），此种利用气体提升和液体喷射形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。此类又统称为环流式鼓泡反应器。它具有径向气液流动速度均匀、轴向弥散系数较低，传热、传质系数较大，液体循环速度可调节等优点。
鼓泡塔反应器的历史动态
• 自1971年来，千代田开发出了第一个脱硫工艺，千代田公司继续改进和发展这项技术,于1976年开发出了更为先进的工艺，这项先进的技术将二氧化硫的吸收,氧化,中和, 结晶以及除尘等几个必不可少的工艺过程合并到一个单独的气相-液相-固相反应器中进行。这个反应器就叫做鼓泡式反应器 (JBR)。
鼓泡塔反应器的发展动态

鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器的特点与结构

鼓泡塔反应器的发展动态
鼓泡塔反应器的特点与结构
特点：塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，既与液
相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于
图5液体喷射式鼓泡反应器
鼓泡塔反应器的历史动态
• 自1971年来，千代田开发出了第一个脱硫工艺，千代田公司继续改进和发展这项技术,于1976年开发出了更为先进的工艺，这项先进的技术将二氧化硫的吸收,氧化,中和, 结晶以及除尘等几个必不可少的工艺过程合并到一个单独的气相-液相-固相反应器中进行。这个反应器就叫做鼓泡式反应器 (JBR)。
• 20世纪70年代以后，有关鼓泡塔的研究日益活跃，除标准型鼓泡塔外，又开发了各种各样的改型鼓泡塔（射流喷射型、气液下流型、双管式、多段式、填充式等）和悬浊鼓泡塔等。图1是各种鼓泡塔的示意图，从图中可见，在鼓泡塔中，气液两相基本呈并流和逆流两种。
1987年处理废水
• 这些处理废水的方法是在鼓泡塔式(Bubble COlumns简称BC) 生物反应器基础上发展起来的。这些方法都还有望进一步提高其处理效率如增强流体流动强化气液传质便是一个行之有效的方法。其中气升式循环生物反应器(Airlift LOOp 简称AL)
• 尽管国内外已经对浆态鼓泡床反应器的流体力学进行了大量研究，但由于多相流动过程的复杂性，对反应器内流体力学的研究尚处于发展阶段，因此有必要对浆态床反应器内流体力学行为进行更加详细深入的研究。
• 2011年应用鼓泡塔式反应器生产藏红花素的研究
• 2012年精对苯二甲酸(PTA)是合成聚对苯二甲酸乙二醇酯的重要原料，随着国内聚酯工业的高速发展，PTA产能越来越大。鼓泡塔式反应器结构简单、运行可靠、制造成本低，已成功用于规模化生产的PTA装置。采用鼓泡塔式反应器，对对二甲苯(PX)氧化结晶生成对苯二甲酸(TA)的工艺过程有着很大的进步和加大了生产量。为股跑塔式反应器的进一步研究及工业化应用提供基础实验数据。

应用CFD软件对发动机气道进行设计优化

与气道稳流试验进行对比，保证计算的收
敛性，进口边界采用总压，其值为环境大气压，气道压差取２ａ．ｋ，根据上述压差值设置出口静压；为５Ｐ
了避免进口和出口总质量流量在计算时发生太大震
荡，初始压力必须近似等于出口压力边界条件压
ｌ２３４５
Ｉ三二薹厂
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气门升程，ｍｍ
图５改进气道与原始气道流量系数对比
利用ＡＶ —ＩＲ软件建立了原型发动机气道ＣＤＬＦＥＦ图改３进气道计算模型图模型，对原型发动机的气道进行了三维稳态ＣＤ分Ｆ
新型摩托车ＧＰＳ防盗装置研制成功
近日，ＢｋＧｓｒｋｎｉＰＴａｉｇ公司推出了ＭＣ４摩托ｅｃ２２
车专用导航产品，该产品不仅具备一般的导航功能，还可为骑乘者提供跟踪报警服务。报警功能有２种控制方式，可遥控控制，也可通过摩托车上的按钮进行操作，即使骑乘者下车后忘记打开报警装置，在
增大了３％；改进气道与原始气道流量系数对比如３
图５所示，参考直径原机为２．ｍ新气道为２．ｍ３ｍ，５５ｍ。６
图２原始气道三维稳态流动计算的速度剖面图
４原始气道模型改进方案
维普资讯
设计・研究Ｄｓｎ・ｅｅｒｈｅｉＲｓａｃｇ
应用ＣＦＤ软件对发动机气道进行设计优化

反应器结构及工作原理图解

反应器结构及工作原理图解小7：这里给大家介绍一下常用的反应器设备，主要有以下类型：①管式反应器。

由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。

②釜式反应器。

由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。

用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。

③有固体颗粒床层的反应器。

气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。

④塔式反应器。

用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。

一、管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。

这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。

反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。

通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。

分类：1、水平管式反应器由无缝钢管与U 形管连接而成。

这种结构易于加工制造和检修。

高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa 压力。

如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa 。

2、立管式反应器立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。

3、盘管式反应器将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。

但检修和清刷管道比较困难。

4、U形管式反应器U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。

U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较慢的反应。

5、多管并联管式反应器多管并联结构的管式反应器一般用于气固相反应，例如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制氯乙烯，气相氮和氢混合物在多管并联装有固相铁催化剂的反应器中合成氨。

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气泡大小以及混合时间的影响；拟结果表明整体气含率和混合时间均随环径比先增大后减小，模气含率的最佳
环径比在０．４左右，而混合时问最大值出现在Ｏ５／Ｔ附近，当环径比小于时０，鼓泡塔内为单循环流动，大．Ｄｄ．５于此值，鼓泡塔内将形成双循环流动，不利于混合。
（．ｔｅｅＬｂｒｔｙｏｈｍｉｌｅｃｒＥｓＣｉｎｖｒｉｆＳｉｃａｄＴｃｎｌｙＳａｇａ２０３，１ＳｔＫｙａｏａｒｆＣｅｃＲａｔｓａｔｈｎＵｉｓｙｏｃｎｅｎｅｈｏｏ，ｈｎｈｉ０２７ａｏａｏ，ａｅｔｅｇＣｉ；２ＳｈｏｏＳｉｃｎｅｈｏｏｙＧｎ￣ｎｖｒｉ，ｒｈｍ．ＬｌＡＵ３ｈｎａ．ｃｏｌｃｎｅｄＴｃｎｌ，＆ｄｒｉｓｙＷｅａＬｌ２ＷｈｆｅａｇＵｅｔｘ
Ａｂｓｒｃ：Ｉａｅｎｇｎｒｌｃｎｗｌｄｅａｅｃｎｇｒｔｎｏａｉｔｉｕｏａｉｎｆｃｎｍｐｃｎｆｕｄｔａｔｔｈｓｂｅｅｅａｌａｋｏｅｇｄｔｔｔｏｆｕａｉｆａｇｓｄｓｂｔｒｈｓｓｇｉａｔｙｈｈｉｏｒｉｉａｔｏｉｌ
ｔｅｓｐｒｃｌａｅｏｉｆ．ｒ／．ｕｅｉ — ｕｅｉｎｔ — ｕｄｍｏｅａｏｇｗｉｅｓｎ－ｔｒｕｅｃｄｌｓｈｅｆｉｓｖｌｃｏ１ｎｓＡｎＥｌａＥｌａｕｉａｇｙｔ０ｒｎｒｗｏｆｉｄｌｌｎｔｔｄｋ￡ｕｂｌｅｌｈｈｔａｎｍｏｅｉ
ｄｓｒｂｕｏｓｉａｇ — ｃｌｈａｌｗｕｂｅｃｌｍｎｉｔｉｔｒｎａｌｒｅｓａｅｓｌｏｂｂｌｏｕ
ＬＩＧｕｎＹＡＮＧａｇｎ。ａｇ，Ｘｉｏａｇ
，
ＣＡＩｎｂｉＤＡＩｎｅｇａＱｉ，ｃＧａ
关键词：计算流体力学；分布器结构优化；ＣＤ模拟；浅层鼓泡塔；管式分布器Ｆ
中图分类号：Ｔ２．；Ｑ文章编号：１７７８（ｏ８１ —０９ —７６３１０２ｏ）２８０
ＡｐｌｃｔｏｆＣＦＤｉｕａｉｎｆｒｏｔｍｉａｉｎｏｅｍｕｌｉｐｐｅｇｓｐｉａｉｎｏｓｍｌｔｏｏｐｉｓｔｏｆｈｔｔ— ｉａ
ｍｏｅｓｔｉｕａｅｔａｓｅｔａ・ｑｉｏｉａｇ－ｃｌｈａｌｗｙｉｄｉａｕｂｅｃｌｍｎｏ０ｌｉｍｅｅｔｄｌｓｌｔｒｉｎｓ－ｕｄｆｗａｌｒｅｓａｅｓｌｏｃｌｒｃｌｂｂｌｏｕｆ８０ｎｍｉｄａｔｒａｏｍｎｇｌｉｌｎ－ｎｎ
摘要：分布器结构影响大型浅层鼓泡塔反应器性能，采用ＣＤ模拟研究了５四管气体分布器，各分布器的Ｆ种
通气管均匀布置在不同的分布环上（．０／．０６．Ｄ）０３．０５．０７Ｔ，模拟采用了双流体方法和多气泡簇ＭＵＳＧ型。／４／／Ｉ模文中较全面的考察了高表观气速下（＝．ｓＵｇ０１）ｍ／管式分布器分布环直径对反应器流型、相含率、液速、湍ｂ、流
Ｖｌ．２ｂ＿ＮＯ１３
Ｄｃ０８ｅ．０２
中国科技论文在线
ＳｉｎｅａｅｌｅｃｅｃｐｐｒｉＯｎｎ
第卷第１３２期
２００８年１２月
ＣＤ优化大型浅层鼓泡塔管式气体分布器结构Ｆ
李光，杨晓钢２，蔡清白，戴干策
ｄｎｍｉｄｘｇｉｓａｏｕｂｌｎｅｃｒ．ｈｕｙｅｐｏｓｏｐｔｉｎｌｕａｉ（Ｆ）ｂｓｄｙａｃａｉｌｗｂｂｌｃｕａｔｓＴｉｓｄｌｍｕｔａｆｉｄｍｃＣＤ－ａｅｓｎｍｉｎｎｈｌｅｏｍｒｏｓｔｍｙｃａｏｄｙｌｎｓ
（，东理工大学反应器国家重点实验室，上海２０３；１华０２７
２ＳｈｏｏｉｃｎｃｎｌｙＧｙｄｒｎｖｒｔＷｒｈｍ，ＬＡＵ．ｃｏｌｆｃｎｅｄｅｈｏｏ，ｌｆｉｅｓｙｅａＳｅａＴｇｎＵｉ，ｘＬ２Ｗ，Ｋ）１１
ａｏｔｄｔｉｕａｅｆｗｅｅａｅｙｇｓｓａｇｄｔｒｕｈｆｖｉｅｅｔｍｕｔｌ－ｉａｉｔｉｕｏｓｗｈｃｅｆｕｄｐｅｏｓｍｌｔｏｇｎｒｔｄｂａｐｒｅｈｏｇｅｄｆｒｎｌｐｅｐｐｅｇｄｓｒｂｔｒｉｈｔｏｒｌｉｉｓｈｐｐｓａｅｕｉｍｌｕｔｄａｉｅｅｔｉｔｉｕｉｎｒｎｓｗｉｉｇｔｕｂｅｃｌｍｎｄａｅｅａｉｓｏ．，．，５０６ｉｅｒｎ￣ｒｙｍｏｎｅｔｆｒｎｓｒｔｉｇｔｒｂｂｌｏｕｉｍｔｒｔｆ３０４０．，．ｄｄｂｏｈｎｏｒｏＯ