大型浆态床反应器流体力学与数学模拟放大技术研究

浆态床反应器多用于气液固三相强放热反应过程，其大型化与高效化是当前发展的趋势。浆态床流体力学是反应器设计与放大的基础。本项目针对百万吨级对二甲苯氧化反应器和费托合成反应器放大设计的要求，提出了针对高气速和含有密集内构件的浆态床流体力学研究方案和反应器数学模拟放大方法。首先通过一定规模的冷模实验测量考察不同塔径、气速、内构件条件下的流体力学规律，在此基础上建立起可靠的浆态床流体力学模型，然后结合现有的复杂反应动力学、热力学、传热与传质数据，给出完整的对二甲苯氧化反应器与费托合成反应器的数学模型，发展高效的大规模数值模拟算法，通过模型研究进行浆态床反应器数学模拟放大设计。项目特点是此前已经在浆态床流体力学模型与模拟方面取得了显著进展，研究方法与结果在科学上和应用上有重要价值。

本课题针对对二甲苯氧化反应器和费托合成反应器放大设计的要求，提出了针对高气速和含有密集内构件的浆态床流体力学研究方案和数学模拟放大方法。通过系统的实验与模拟，考察了三个方面的内容：无内构件的鼓泡塔流体力学放大规律；列管内构件的流体力学；鼓泡塔与流化床的类比研究。重点考查了列管束内构件对不同塔径中的流体力学参数分布的影响，获得了许多新的实验证据和流体力学规律。首先对于无内构件的鼓泡塔流体力学提出了两种新模型：径向力平衡模型与基于流化床比拟的尾涡温度模型，两种模型都能用于高气速大塔径下的鼓泡塔计算模拟，所得结果与直径800mm与500mm两种不同尺寸鼓泡塔中测定的气含率与速度分布实验数据符合良好，也与文献中给出的更大塔径中的速度值相符。其次，实验首次发现，当存在列管内构件时，直径500mm与800mm两种塔中的速度分布与气含率分布呈现出显著不同甚至截然相反的规律：小塔（500mm）中的速度与气含率径向分布随列管密度和空塔气速的增加而趋于陡峭；大塔（800mm）中的径向分布则随列管密度和空塔气速的增加而趋于平缓；在800mm列管塔中速度与气含率径向分布也将随着布气方式的改变而发生相应的显著变化，其趋势是保持分布区的分布形态而沿塔高发展；实验表明，大型带密集列管的鼓泡塔中，不存在充分发展段，分布区贯穿于全塔，分布器的设计对于大型密集列管塔反应器性能具有整体的而不是局部的影响。最后，本课题将鼓泡塔与流化床进行比拟研究，产生了两个方面的新结果：一是类比流化床“颗粒温度”的概念引入气泡“尾涡温度”及其相关的输运与耗散方程，能够合理地考虑鼓泡塔中液相小尺度湍动对气液两相流动的贡献，解决了以往两相湍流模型能量不守恒的问题；二是类比鼓泡塔的气液两相，对流化床也采用气泡相与乳化相进行描述，引入类似的径向力平衡模型，有助于解决流化床模型的放大计算问题。本课题发表论文16篇，录用3篇，基本上完成了项目任务书规定的任务，针对带列管束的大型鼓泡塔的实验测量首次发现了许多新的现象和规律，为多相流体力学研究与反应器放大提供了新的实验证据。