旋流式鼓泡塔內部流場特性的實驗模擬

曹喬喬，郝惠娣，王 瑾

工藝與裝備

旋流式鼓泡塔內部流場特性的實驗模擬

曹喬喬，郝惠娣，王 瑾

（西北大學 化工學院, 陜西 西安 710069）

利用CFD技術對新型旋流式鼓泡的流場進行了模擬，考察了不同入口氣速為2,3,4,5 m/s對鼓泡塔內流場特性的影響，并對其速度云圖，速度矢量圖及液體體積分數圖進行了分析。研究發現：當入口氣速為4 m/s時，攪拌槽內的混合效果較好。

新型旋流；鼓泡塔； 流體；CFD模擬

鼓泡塔廣泛應用于石油化學工程、生物工程、環境以及能源工業領域中，如加氫、費托合成、污水處理、煤液化等［1］。近年來，大量的科研工作者通過各種實驗模擬研究了鼓泡塔反應器內的流體特性[2-8]。本文利用CFD技術中的FLUENT計算軟件對入口氣速分別為2,3,4,5 m/s時的旋流式鼓泡反應器流場進行了模擬，研究結果對鼓泡塔的優化設計及工業放大有實際的意義。

1 旋流式鼓泡反應器的結構

新型旋流式鼓泡塔的總體結構如圖1 所示。旋流式鼓泡反應器基本由筒體，氣體分布器，氣液分離器三部分組成。

圖1 總體結構圖Fig.1 The overall structure

2 數值模擬

2.1 建立模型

模擬對象為圓柱形旋流式鼓泡三相反應器,它的內徑為800 mm、高為1 400 mm。主要相為液相—水；次要相為氣相—空氣，噴射鼓氣管直徑為20 mm。噴氣徑與反應器直徑的比值（環徑比）為0.4[9]。

2.2 網格劃分（圖2）

圖2 旋流式鼓泡塔的網格劃分Fig.2 The mash of the swirling bubbling reactor

2.3 邊界條件

在本算例中，邊界條件設定包括壁面（wall）、速 度 入 口 （ velocity-inlet）、 壓 力 出 口（pressure-outlet）。邊界條件的設定[10]，對于復雜流場的收斂性有著決定性的影響。模擬變量邊界條件為：入口為氣相，在模擬過程中，入口的湍流強度（Turbulent Intensity）為5%。水力直徑（Hydraulic Diameter）由模型中噴氣管的數量不同而不同；出口為壓力出口，壓力為表壓為0 Pa。出口的湍流強度（Turbulent Intensity）為1%，水力直徑（Hydraulic Diameter）為800 m；壁面定義為無滑移邊界條件。

3 模擬結果分析

本文通過CFD技術中的Fluent對旋流式鼓泡塔反應器流場進行數值模擬計算，再通過 CFD-Post對其結果進行后處理[11]，得出不同氣速下反應器中的速度矢量圖，速度云圖, 水的體積分數云圖等并對其結果進行分析比較，確定最佳的入口氣速。

圖3所示為不同入口氣速情況下的鼓泡塔中流體矢量圖分析可以看出：當速度為2 m/s時，流體速度在反應器底部向兩邊呈漩渦狀分布，漩渦附近流體速度分布密度較大，反應器中部向上流體速度分布趨于均勻，旋流效果較差，流體速度為0.9 m/s左右;當速度為3 m/s時，流體速度在反應器底部氣體入口處向兩邊呈漩渦狀分布，氣體入口和出口處的流體速度較大且分布較為密集，反應器整體的流體速度有所增大，為1.2～5.5 m/s;當速度為4 m/s時，流體速度矢量圖類似速度為3 m/s時的速度矢量圖，只是流體速度增大了，為4.5～16 m/s；當速度為5 m/s時，速度矢量圖類似氣速速度為4 m/s時的速度矢量圖，整體速度增大，為8～23 m/s。結果分析，可以看出鼓泡塔氣速為4 m/s時，流體速度分布較好。體速度有所增大，為1.2～5.5 m/s;當速度為4 m/s時，流體速度矢量圖類似速度為3 m/s時的速度矢量圖，只是流體速度增大了，為4.5～16 m/s；當速度為5 m/s時，速度矢量圖類似氣速速度為4 m/s時的速度矢量圖，整體速度增大，為8～23 m/s。結果分析，可以看出鼓泡塔氣速為4 m/s時，流體速度分布較好。

圖3 流體速度矢量圖Fig.3 The water velocity vector

圖4 所示為不同入口氣速下的鼓泡塔中速度云圖分析可以看出：當速度為2 m/s時，僅反應器氣體入口處及其附近有速度，為0.3～1.7 m/s；當速度為3 m/s時，由于噴管入口處有氣體噴入，因此反應器入口處速度較大，且速度由內向外依次減小，由于反應器出口處壓力為 0，反應器內壓力較大，氣體噴出時速度會增大，反應器中部速度變小，反應器內整體速度大小為 0.2～5.5 m/s ;當速度為4 m/s時，反應器速度矢量圖類似氣速為3 m/s的速度矢量圖，反應器中部速度達到6 m/s左右，整體速度為2～17 m/s；當速度為5 m/s時，速度云圖類似氣速速度為4 m/s時的速度云圖，整體速度增大速度為 0.5～27 m/s,速度波動范圍過大。 結果分析可以看出鼓泡塔的入口氣速為 4 m/s時，流體速度分布效果較好。

圖4 速度云圖Fig.4 The air velocity contour

圖5 所示為不同入口氣速情況下的鼓泡塔中水的體積分數云圖分析可以看出：當速度為2 m/s時，反應器出口處有一小部分部分水的含量很高，為0.9左右，但其它部分水與空氣的含量很均勻，水的含量為 0.4～0.5左右，反應器內水的含量整體分布均勻；當速度為3 m/s時，反應器出口處有一小部分部分水的含量很高，為0.9左右，由于噴氣管入口處進氣，氣速增大了，所以氣體入口處水的含量較低，反應器其它地方水與空氣含量較為均勻，水的含量為 0.4～0.5左右；當速度為4 m/s時，由于噴氣管入口處進氣，所以氣體入口處水的含量較低，水的體積分數從反應器內部向外依次增大，整體水的含量稍大；當速度為5 m/s時，由于噴氣管入口處進氣速度偏大，所以氣體入口處水的含量偏低，水的含量在反應器中從內向外增加，且一邊水的含量偏大于另一邊，水分含量不太均勻。 結果分析可以看出鼓泡塔的入口氣速為2 m/s時，流體速度分布效果最佳，氣速為4 m/s時，流體速度分布效果次之。

圖5 水的體積分數云圖Fig.5 The water volume fraction contour

4 不同氣速模擬結果分析

如圖6所示為不同氣速的軸心速度曲線，由圖可以看出：當氣速為2 m/s時，整體氣速非常小，不利于氣液混合；當氣速為3 m/s時，中心軸的整體速度比較小氣液混合不均勻；速度為4 m/s時速度最高可達12 m/s左右，氣液混合效果比較理想；速度為5 m/s時，速度減小，有點偏低氣液混合不理想。

圖6 不同氣速的軸心流體速度曲線Fig.6 The fluid velocity curve of axis

5 結 論

利用FLUENT計算軟件對旋流式鼓泡塔反應器中氣速分別為2,3,4,5 m/s時的流場進行了模擬，并且利用圖表及各種分析方法進行了定性和定量的分析。得到了下面結果：

（1）鼓泡塔的入口氣速為4 m/s時的速度矢量和速度云圖都比其它入口速度的效果好些，入口氣速為2 m/s時的水的體積分數云圖效果最佳，但氣速過小不利于氣液混合，入口氣速為4 m/s效果次之。從整體效果來看，取鼓泡塔入口氣速為4 m/s時最佳。

（2）從不同氣速的軸心流體速度曲線可以看出氣速為4 m/s時氣液混合效果比較理想。

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Experimental Simulation of Inner Flow in the Swirling Bubbling Reactor

CAO Qiao-qiao，HAO Hui-di，WANG Jin
（School of Chemical Engineering, Northwest University, Shaanxi Xi’an 710069, China）

The experimental simulation of inner flow in the swirling bubbling reactor was carried out by CFD, effect of the inlet speed ( 2,3,4,5 m/s) on inner flow in the swirling bubbling reactor was investigated, and the velocity vector, the velocity contour and the water volume fraction contour were analyzed. The results show that the fluid mixed effect with 4 m/s is better.

New type of cyclone; Bubbling reactor; Fluid; CFD simulation

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）04-0815-03

陜西省工業攻關項目（2011k10—21）；陜西省教育廳專項基金項目（11Jk0619）。

2014-11-14

曹喬喬（1990-），女 ，陜西咸陽人，西北大學碩士研究生，研究方向：主要從事攪拌反應設備研究。E-mail: 364967149@qq.com。