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文中采用基于颗粒轨道模型的欧拉一拉格朗日法对超重力旋转床中的气液两相流动与传质进行了数值模拟研究。在合理简化丝网填料结构和考虑液滴凝并与分散的基础上,分别利用SIMPLE算法和颗粒轨道模型计算了超重力旋转床中的气流场和液滴的运动轨迹,进而计算了液相的传质系数。数值模拟所得的液相传质系数与氮气解吸水中溶解氧实验结果符合良好,表明模型能够用于模拟旋转床中流体力学和分散相内的传质过程。计算分析表明,对超重力旋转床,在一定的转速下,液体和气体流量以及填料内径的变化对体积传质系数有重要影响。
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第
31
卷第
5
期
2004
年
北京化工大学学报
Vo
1.
31
,
No.5
2004
JOURNAL
OF
BEIJING
UNIVERSITY
OF
CHEMICAL
TECHNOLOGY
超重力旋转床中气液两相流动与
传质过程的数值模拟
许明张建文沈志则陈建峰普赵瑾
(北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京
100029)
摘
要:文中采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床中的气液两相流动与传质进行了数值模
拟研究。在合理简化丝网填料结构和考虑液滴凝并与分散的基础上,分别利用
SIMPLE
算法和颗粒轨道模型计算
了超重力旋转床中的气流场和液滴的运动轨迹,进而计算了液相的传质系数。数值模拟所得的液相传质系数与氮
气解吸水中溶解氧实验结果符合良好,表明模型能够用于模拟旋转床中流体力学和分散相内的传质过程。计算分
析表明,对超重力旋转床,在一定的转速下,液体和气体流量以及填料内径的变化对体积传质系数有重要影响。
关键词:超重力旋转床;数值模拟;多相流体流动与传质;颗粒轨道模型
中图分类号:
TQ021
引言
超重力旋转床是近年发展起来的一种新型、高
效的强化混合和传质的反应设备,目前已广泛应用
于气-液沉淀反应制备纳米材料、化工反应和分离等
方面
[1-2]
。在超重力旋转床内的气液两相流其主要
特点在于气液两相逆向接触,并在强大的离心力作
用下,实现相间和相内的强烈混合与分散,使传质过
程得到极大强化。
国内外学者对超重力旋转床进行了大量的实验
研究
[3-8]
0
Burns
和
Ramshaw[3]
利用高速频闪摄影
技术研究了旋转床填料中液体的流动形式,大致有
"滴状流"、"孔道流"、"膜状流"三种基本形态。郭
错
[4]
采用电视摄像的办法观测了旋转床中的液体
流动,并测定了液体的停留时间。张军
[5]
和堂洁
松
[6]
分别利用高速频闪摄影技术对旋转床内的液
体流动进行了同步和非同步观察,发现在填料空间
内大量的液体以液滴的形式存在。郭奋
[7]
对旋转
床中的液体流动和气相压降及传质恃性进行了研
究。李振虎
[8]
对旋转床中逆流和并流操作两种情
收稿日期:
2003-12-30
基金项目:国家自然科学基金重点项目
(20236020);
高等学
校博士学科点专项科研基金
(20010010004)
第一作者:男,
1979
年生,硕士生
势通讯联系人
E-mail: chenjf@mail. buct.edu.cn
况下的传质过程进行了研究。实验结果表明
[6-8]
随着超重力旋转床转子转速的提高,传质和反应过
程得到加强。分析超重力旋转床中的反应传质,必
须对气液两相流体流动与传质有深入的认识。在前
人的流体力学和传质模型中
[8-10]
,主要存在三个方
面的问题:①忽略了气相,而气相的存在对液体分散
相的运动和凝并及分散有一定的影响;②相比于实
际的填料丝网的结构,模型中对于丝网的处理过于
简化;③没有考虑液滴的凝并和破碎。本文合理地
简化了丝网的结构,并在考虑液滴凝并和破碎的前
提下,采用欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床内的
气液两相运动进行了研究,在此基础上计算了液相
的传质系数,并和实验结果进行比较讨论。
1
超重力旋转床中气液两相流和传质
过程的数学模型
1.
1
总体物理模型描述与模型假设
超重力旋转床的实验装置示意图如图
1
所示。
气相由气体进口管
1
进入超重力旋转床外腔,在气
体压力的作用下由转子外缘进入填料区
2
,与液体
逆流接触并进行传质后,由旋转床内腔经气体出口
管
5
排空。液体由液体进口管进入转子内腔,经液
体分布器
3
淋洒在填料内缘上。进入填料的液体被
高速旋转的填料剧烈地微滴化后,同时分布在旋转
丝网填料的表面及填料空间,并在离心力的作用下
向外运动,从转子的外缘甩出,由机壳汇集后由液体
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