旋流式鼓泡塔内部流场特性的实验模拟

曹乔乔，郝惠娣，王 瑾

工艺与装备

旋流式鼓泡塔内部流场特性的实验模拟

曹乔乔，郝惠娣，王 瑾

（西北大学 化工学院, 陕西 西安 710069）

利用CFD技术对新型旋流式鼓泡的流场进行了模拟，考察了不同入口气速为2,3,4,5 m/s对鼓泡塔内流场特性的影响，并对其速度云图，速度矢量图及液体体积分数图进行了分析。研究发现：当入口气速为4 m/s时，搅拌槽内的混合效果较好。

新型旋流；鼓泡塔； 流体；CFD模拟

鼓泡塔广泛应用于石油化学工程、生物工程、环境以及能源工业领域中，如加氢、费托合成、污水处理、煤液化等［1］。近年来，大量的科研工作者通过各种实验模拟研究了鼓泡塔反应器内的流体特性[2-8]。本文利用CFD技术中的FLUENT计算软件对入口气速分别为2,3,4,5 m/s时的旋流式鼓泡反应器流场进行了模拟，研究结果对鼓泡塔的优化设计及工业放大有实际的意义。

1 旋流式鼓泡反应器的结构

新型旋流式鼓泡塔的总体结构如图1 所示。旋流式鼓泡反应器基本由筒体，气体分布器，气液分离器三部分组成。

图1 总体结构图Fig.1 The overall structure

2 数值模拟

2.1 建立模型

模拟对象为圆柱形旋流式鼓泡三相反应器,它的内径为800 mm、高为1 400 mm。主要相为液相—水；次要相为气相—空气，喷射鼓气管直径为20 mm。喷气径与反应器直径的比值（环径比）为0.4[9]。

2.2 网格划分（图2）

图2 旋流式鼓泡塔的网格划分Fig.2 The mash of the swirling bubbling reactor

2.3 边界条件

在本算例中，边界条件设定包括壁面（wall）、速 度 入 口 （ velocity-inlet）、 压 力 出 口（pressure-outlet）。边界条件的设定[10]，对于复杂流场的收敛性有着决定性的影响。模拟变量边界条件为：入口为气相，在模拟过程中，入口的湍流强度（Turbulent Intensity）为5%。水力直径（Hydraulic Diameter）由模型中喷气管的数量不同而不同；出口为压力出口，压力为表压为0 Pa。出口的湍流强度（Turbulent Intensity）为1%，水力直径（Hydraulic Diameter）为800 m；壁面定义为无滑移边界条件。

3 模拟结果分析

本文通过CFD技术中的Fluent对旋流式鼓泡塔反应器流场进行数值模拟计算，再通过 CFD-Post对其结果进行后处理[11]，得出不同气速下反应器中的速度矢量图，速度云图, 水的体积分数云图等并对其结果进行分析比较，确定最佳的入口气速。

图3所示为不同入口气速情况下的鼓泡塔中流体矢量图分析可以看出：当速度为2 m/s时，流体速度在反应器底部向两边呈漩涡状分布，漩涡附近流体速度分布密度较大，反应器中部向上流体速度分布趋于均匀，旋流效果较差，流体速度为0.9 m/s左右;当速度为3 m/s时，流体速度在反应器底部气体入口处向两边呈漩涡状分布，气体入口和出口处的流体速度较大且分布较为密集，反应器整体的流体速度有所增大，为1.2～5.5 m/s;当速度为4 m/s时，流体速度矢量图类似速度为3 m/s时的速度矢量图，只是流体速度增大了，为4.5～16 m/s；当速度为5 m/s时，速度矢量图类似气速速度为4 m/s时的速度矢量图，整体速度增大，为8～23 m/s。结果分析，可以看出鼓泡塔气速为4 m/s时，流体速度分布较好。体速度有所增大，为1.2～5.5 m/s;当速度为4 m/s时，流体速度矢量图类似速度为3 m/s时的速度矢量图，只是流体速度增大了，为4.5～16 m/s；当速度为5 m/s时，速度矢量图类似气速速度为4 m/s时的速度矢量图，整体速度增大，为8～23 m/s。结果分析，可以看出鼓泡塔气速为4 m/s时，流体速度分布较好。

图3 流体速度矢量图Fig.3 The water velocity vector

图4 所示为不同入口气速下的鼓泡塔中速度云图分析可以看出：当速度为2 m/s时，仅反应器气体入口处及其附近有速度，为0.3～1.7 m/s；当速度为3 m/s时，由于喷管入口处有气体喷入，因此反应器入口处速度较大，且速度由内向外依次减小，由于反应器出口处压力为 0，反应器内压力较大，气体喷出时速度会增大，反应器中部速度变小，反应器内整体速度大小为 0.2～5.5 m/s ;当速度为4 m/s时，反应器速度矢量图类似气速为3 m/s的速度矢量图，反应器中部速度达到6 m/s左右，整体速度为2～17 m/s；当速度为5 m/s时，速度云图类似气速速度为4 m/s时的速度云图，整体速度增大速度为 0.5～27 m/s,速度波动范围过大。 结果分析可以看出鼓泡塔的入口气速为 4 m/s时，流体速度分布效果较好。

图4 速度云图Fig.4 The air velocity contour

图5 所示为不同入口气速情况下的鼓泡塔中水的体积分数云图分析可以看出：当速度为2 m/s时，反应器出口处有一小部分部分水的含量很高，为0.9左右，但其它部分水与空气的含量很均匀，水的含量为 0.4～0.5左右，反应器内水的含量整体分布均匀；当速度为3 m/s时，反应器出口处有一小部分部分水的含量很高，为0.9左右，由于喷气管入口处进气，气速增大了，所以气体入口处水的含量较低，反应器其它地方水与空气含量较为均匀，水的含量为 0.4～0.5左右；当速度为4 m/s时，由于喷气管入口处进气，所以气体入口处水的含量较低，水的体积分数从反应器内部向外依次增大，整体水的含量稍大；当速度为5 m/s时，由于喷气管入口处进气速度偏大，所以气体入口处水的含量偏低，水的含量在反应器中从内向外增加，且一边水的含量偏大于另一边，水分含量不太均匀。 结果分析可以看出鼓泡塔的入口气速为2 m/s时，流体速度分布效果最佳，气速为4 m/s时，流体速度分布效果次之。

图5 水的体积分数云图Fig.5 The water volume fraction contour

4 不同气速模拟结果分析

如图6所示为不同气速的轴心速度曲线，由图可以看出：当气速为2 m/s时，整体气速非常小，不利于气液混合；当气速为3 m/s时，中心轴的整体速度比较小气液混合不均匀；速度为4 m/s时速度最高可达12 m/s左右，气液混合效果比较理想；速度为5 m/s时，速度减小，有点偏低气液混合不理想。

图6 不同气速的轴心流体速度曲线Fig.6 The fluid velocity curve of axis

5 结 论

利用FLUENT计算软件对旋流式鼓泡塔反应器中气速分别为2,3,4,5 m/s时的流场进行了模拟，并且利用图表及各种分析方法进行了定性和定量的分析。得到了下面结果：

（1）鼓泡塔的入口气速为4 m/s时的速度矢量和速度云图都比其它入口速度的效果好些，入口气速为2 m/s时的水的体积分数云图效果最佳，但气速过小不利于气液混合，入口气速为4 m/s效果次之。从整体效果来看，取鼓泡塔入口气速为4 m/s时最佳。

（2）从不同气速的轴心流体速度曲线可以看出气速为4 m/s时气液混合效果比较理想。

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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

陕西省工业攻关项目（2011k10—21）；陕西省教育厅专项基金项目（11Jk0619）。

2014-11-14

曹乔乔（1990-），女 ，陕西咸阳人，西北大学硕士研究生，研究方向：主要从事搅拌反应设备研究。E-mail: 364967149@qq.com。