第４３卷第９期 ２０１５年５月 广州化工 Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．９ Ｍａｖ．２０１５ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 搅拌鼓泡塔的实验模拟研究冰 曹乔乔 ，郝惠娣 ，王 瑾 ，杜曼飞 （１西北大学化工学院，陕西 西安７１００６９；２陕西师范大学化学化工学院，陕西 西安７１００７０） 摘 要：利用ＣＦＤ软件对搅拌鼓泡反应器内４种不同表观气速下的内部流场的流体力学行为进行了模拟。并对其计算结果 进行了分析。研究发现：气速为２ ｍ／ｓ时反应器的流体特性效果比其它气速情况下的结果来说较佳。由于导流筒的作用，流体沿 器壁向上和向下都具有对称的旋流，漩涡中心处出现了滞留区域没有速度。 关键词：搅拌鼓泡；表观气速；气含率；ＣＦＤ模拟 中图分类号：ＴＱ０５３．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—９６７７（２０１５）０９—００６７—０３ Ｔｈｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｍｉｘｉｎｇ Ｂｕｂｂｌｉｎｇ Ｒｅａｃｔｏｒ ＣＡＯ Ｑｉａｏ—ｑｉａｏ ，ＨＡＯ Ｈｕｉ—ｄｉ ，ＷＡＮＧ ｆｉｎ ，ＤＵ Ｍａｎ－ｆｅｉ （１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００６９； ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉ’ａｎ ７１００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｗｉｔｈ ｆｏｕｒ ｓｕｐｅｒｆｉｅｉａｌ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｔ ｈａｄ ｆ０ｕｎｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗａｓ ２ ｍ／ｓ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｂｅｔｔｅｒ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｔｕｂｅ，ｆｌｕｉｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐ ａｎｄ ｄｏｗｎ ｈａｄ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｓｐｉｒａｌ ｆｌｏｗ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏ￣ｅｘ ａｐｐｅａ￣ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ａｒｅａ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｐｅｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｘｉｎｇ ｂｕｂｂｌｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒ；ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｇａｓ ｈｏｌｄｕｐ；ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 鼓泡塔在化工等领域应用特别广泛，如石油化工、生物化 作用力，这里气液间相间作用力只考虑Ｓｃｈｉｌｌｅｒ—Ｎａｕｍａｎｎ曳力 工、食品化工、矿物工程及能源工程等。目前，对鼓泡塔的流 体特性研究也不少 Ｊ。近年来，在计算流体力学技术及软件 的迅速发展情况下，鼓泡塔内的流场等详细信息可以通过ＣＦＤ 模型；ｒ 表示应力张量。 根据Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假定，考虑流动为各向同性湍流，表达式 为： ＝ 模拟的方法进行获取 。为了使反应器内多相流混合更加均 与迅速，本文利用Ａｎｓｙｓ ＣＦＤ软件对鼓泡塔增加搅拌装置的反 应器内部气、液两相进行混合性能的数值模拟，考察了通气速 度为１ ｍ／ｓ，２ ｍ／ｓ，３ ｍ／ｓ，４ ｍ／ｓ时反应器内流场的特性，并 对其计算结果进行了分析。研究的结果对工业中搅拌设备的研 发和优化设计具有一定的指导意义。 （ＶＵｋ＋Ｖ Ｔ）＋８ （Ａ 一÷１ Ｖ・ ， （３） 式（３）中， 单位矩阵。 和Ａ 分别为第ｋ相的切向和本体黏性；，为 １．３湍流模型 液相湍流采用ＲＮＧ Ｋ—ｓ模型来计算模拟湍流情况，这里Ｋ 方程表示湍流动能方程，ｓ方程表示湍流耗散方程，ＲＮＧ ｋ－ 模型由Ｙｏｋｈｏｔ和Ｏｒｚａｇ ”提出，其表达式为： Ｏｔ ＋ Ｏｘ ＝ ，１ 流体动力学控制方程 １．１质量守恒方程 Ｌ Ｋ／Ｘ Ｏｘ ＋Ｇｋ－ｐｓ ，Ｊ （４） 、 ＿，（ Ｐｋ）＋Ｖ（ ｐ＾ｕｋ）：０ 以及速度。 （１） ＋ ＝毒［ 。 毒］十字Ｇｋ－Ｃ２￣ｐ Ｂ２（ｓ） 式（１）中，ｓ 、ｐ 、Ｕｋ分别表示第ｋ相的体积分数、密度 式（４）和（５）中： 。 为有效粘度； 为湍动粘度。 １．２能量守恒方程 ２物理模型 本次实验采用带有搅拌桨和分布器的塔器，塔的外径为 詈（８ｋ Ｐ ）＋Ｖ（ Ｐ＾ ）＝一 ＶＰ－Ｖ（ ）＋ Ｐ ｇ＋Ｆｋ（２） 式（２）中，ｇ、Ｐ、Ｆ 分别表示重力加速度、压力以及相间 ３１０ ｍｍ，内径为３００ ｍｍ，高为６８０ ｍｍ，分布器距离塔底 １１０ ｍｍ，搅拌桨距离塔底２２０ ｍｍ。分布器有２５个小圆孔，孔 基金项目：陕西省科技厅研究发展计划（２０１１Ｋ１０—２１）；陕西省教育厅专项基金（１１ＪＫ０６１９）。 第一作者：曹乔乔（１９９０一），女，西北大学硕士研究生，主要从事于化工及生物化工设备的研究与计算机模拟技术的研究。
