《高壓鼓泡床流動和傳質行為的模型化及數值模擬》是依託清華大學,由王鐵峰擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名:高壓鼓泡床流動和傳質行為的模型化及數值模擬
- 依託單位:清華大學
- 項目負責人:王鐵峰
- 項目類別:面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鼓泡床反應器具有結構簡單、無機械傳動部件、傳質和傳熱效率高等優點,在石油化工、能源化工、生物化工、環境工程等領域得到了廣泛套用。工業鼓泡床反應器通常操作在高溫、高壓、高氣速條件下以提高反應器效率,其多相流體力學行為和氣液傳質行為與常壓體系有顯著不同。本課題擬針對高壓鼓泡床反應器的流體力學和傳質行為研究,結合本課題組在鼓泡床領域的工作基礎,發展高壓鼓泡床的機理模型和模擬方法。具體研究內容包括:研究壓力對氣泡破碎行為的影響規律,揭示氣泡破碎機理,建立正確反映壓力影響的氣泡破碎模型;建立考慮壓力影響機理的群體平衡模型(PBM),基於氣泡破碎和聚並計算高壓鼓泡床內的氣泡大小分布;進一步建立CFD-PBM耦合模型,對高壓鼓泡床流動和傳質行為進行模擬,指導反應器設計和放大。本項目針對高壓鼓泡床模型化開展工作,有利於發展基於CFD模擬進行反應器設計和放大的方法,具有重要的學術意義和工業套用價值。
結題摘要
鼓泡床反應器在石油化工、能源化工、生物化工、環境工程等領域有泛套用。工業鼓泡床反應器通常操作在高溫、高壓、高氣速條件下以提高反應器效率,其多相流體力學行為和氣液傳質行為與常壓體系有顯著不同。建立反應器模型,並基於數值模擬進行定量分析,對反應器最佳化和設計至關重要。本課題針對高壓鼓泡床反應器的流體力學和傳質行為研究,結合本課題組在鼓泡床領域的工作基礎,發展高壓鼓泡床的機理模型和模擬方法。具體研究內容包括:研究了壓力對氣泡破碎行為的影響規律,揭示了氣泡破碎機理,建立了正確反映壓力影響的氣泡破碎模型;建立了考慮壓力影響機理的群體平衡模型(PBM),基於氣泡破碎和聚並計算高壓鼓泡床內的氣泡大小分布;進一步建立了CFD-PBM 耦合模型,對高壓鼓泡床流動和傳質行為進行模擬。通過研究得到了如下重要結果:(1)考慮氣泡內部流動,建立了改進的氣泡破碎模型,成功預測高壓條件下氣泡破碎速率增加的趨勢,使CFD-PBM耦合模型能夠預測壓力增大時鼓泡床氣含率的趨勢;(2)同時考慮大氣泡尾渦加速效應和小氣泡阻礙效應,建立了通用性強的曳力模型,顯著改進了CFD-PBM耦合模型的適用範圍和預測精度;(3)基於實驗對氣泡破碎行為進行了機理性研究,發現氣體密度增大時氣泡破碎時間減小,氣泡等大小破碎機率增大;(4)採用所建立的CFD-PBM耦合模型對鼓泡床反應器進行模擬,在液體粘度、表面張力、表觀氣速、操作壓力在大範圍變化時均能得到可靠的預測結果,說明該模型具有較好的通用性。本項目進一步發展了基於CFD 模擬進行反應器設計和放大的方法,具有重要的學術意義和工業套用價值。