表面曝气过程的模拟、机理和调控及反应器设计

本项目针对表面曝气反应器的设计缺乏可靠的理论指导和数值模拟研究存在局部吸气速率方程不准确的瓶颈问题，采用数值模拟结合实验验证和理论分析的方法，深入认识表面曝气发生时气液两相体系的流动、相间作用和气泡卷吸及相关过程的定量物理机制，建立可靠的表面曝气局部吸气速率方程和反应器设计准则，为新型表面曝气提供理论指导。首先建立单漩涡吸气物理模型和数学模型，通过数值模拟建立吸气过程与局部湍流性质的定量关系，并通过实验抽取定量信息指示机理，验证数学模型；基于表面曝气机理，建立表面曝气局部吸气速率方程，数值模拟Rushton桨表面曝气反应器，检验局部吸气速率方程。本项目将对表面曝气机理有新的认识，为新型表面曝气反应器的设计、工程放大和优化提供可靠的理论指导，促进表面曝气反应器在石化、冶金和环境等领域的应用，特别是用于苯甲酸加氢反应器可望取得直接经济效益。

青年科学基金项目(20906090)整体进展顺利，在过程机理模拟、多相反应器模拟、多相反应器测量方法、新型反应器设计和表面曝气反应器工业过程应用方面均取得了较大进展，具体如下：.（1）采用CFD方法（level set方法及level set结合大涡模拟方法）结合实验方法研究了二维及三维拟表面曝气吸气漩涡，并探索了表面曝气机理。在所获得的表面曝气机理指导，开发了新型可用于表面曝气过程的高效叶片性多功能搅拌桨，采用该搅拌桨作为表面曝气桨，单位体积功耗下的气-液体积传质系数比传统的RDT桨显著提高。.（2）针对目前模拟搅拌槽反应器的数学模型的各自缺陷，发展了显式代数应力模型（EASM），并首次用于模拟单相和两相搅拌槽，预测结果与大涡模拟结果相近甚至某些方面更准确，明显好于常用的标准k-ε湍流模型，但计算时间比大涡模拟大幅度降低，显式代数应力模型在搅拌槽内各向异性湍流的预测上非常具有优势。.（3）在对表面曝气过程机理认识基础上，结合多相反应器新模型模拟结果基础上，利用新开发的高效多功能表面曝气桨，优化设计了反应器结构。并尝试将本项目开发的表面曝气反应器应用在相关的实际工业过程中（包含气液传质过程、气相一次通过转化率低）。在有效体积50L碳分槽工业侧线实验中，表面曝气过程可将一次通过未反应CO2自液面重新吸入，使其吸收率最高可达到97%；用于苯甲酸加氢过程的表面曝气反应器并已顺利完成水试，有望实现苯甲酸加氢过程的节能降耗；.（4）此外，在本项目支持下，还探索了多相反应器测量新方法（尤其是气-液-固三相），设计了局部照相法光纤探针，可用于多相局部相含率和粒径分布的在线测定，为下一步研究工作打下基础。.截止目前标注基金号20906090的已发表或接受发表期刊论文14篇（SCI源刊论文8篇，包括AICHE. J. 1篇、Chem. Eng. Sci. 3篇、Ind. Eng. Chem. Res. 1篇、Chem. Eng. Technol. 1篇、Sensors 1篇、Can. J. Chem. Eng. 1篇），国际会议报告5篇，受邀完成专专著2章；申请发明专利4项，还向国际期刊投稿论2篇。已培养博士生1名（王智慧）和硕士生2名（赵光明和周宏宝）。