气液固多相反应器中的介尺度传递机制及工程应用

This application is focused on the second key scientific issue, that is , coupling and control of the multiple mechanisms of meso-scale fluid flow and transport phenomena in gas-liquid multiphase reactors. The meso-scale phenomena may involve the bubble breakup and coalescence, the relative dominance of two characteristic groups of large and small bubbles, the bubble wake and bubble-induced turbulence. We will utilize various advanced measurement techniques to investigate the meso-scale phenomena of bubbles for ideal cases of isotropic turbulence and non-ideal cases with perturbation, and then for more complex cases of bubble columns and slurry beds where complex shear and turbulence exists or particles involve. Stability condition is established by the resolution of meso-scale and micro-scale energy dissipation to describe the direction of the evolution of meso-scale phenomena. The scale-separated transport equations for meso-scale characteristic parameters are used to depict the dynamics of meso-scale phenomena. The stability condition reflects the meso-scale transfer mechanism and can hence serve as a closure for traditional conservative equations of mass, momentum and bubble number density, leading to a stability-constrained multi-fluid model with which the coupling of meso-scale transfer mechanism and reaction could be established at the element level of computational fluid dynamics. The models and theories developed in this study will be applied to the scaleup and optimization of gas-liquid-solid reactors. The effect of meso-structures on macro-scale flow regime, mixing and transfer will be investigated.

本申请针对第二个关键科学问题，研究气液固多相反应器中介尺度流动-传递过程的多机制耦合与调控。介尺度现象包括气泡的聚并和破碎、大小两种特征气泡群的相互控制、气泡尾涡和气泡诱导湍流等。应用高级实验测量技术研究各向同性湍流的理想环境及存在干扰的非理想环境中的气泡介尺度现象，进而探索气液鼓泡塔和气液固浆态床等复杂剪切场和湍流场或固体颗粒存在的条件下介尺度结构特征。通过介尺度和微尺度能耗分解建立介尺度结构的稳定性条件，描述介尺度结构形成和演化的方向；通过尺度分离的介尺度结构特征参数输运方程描述介尺度结构演化的动力学。稳定性条件反映了介尺度传递机制，可封闭传统的质量、动量和气泡数密度守恒方程，建立稳约多流体模型，实现介尺度传递机制与反应模型在微元层次的耦合。本申请将结合若干典型的化工反应器开发过程，研究受介尺度结构影响的多相反应器宏观流型、混合和传质性能，为反应器的设计和优化提供理论依据。

本项目针对第二个关键科学问题，研究气液固多相反应器中介尺度流动-传递过程的多机制耦合与调控，完成了本计划预设的各项目标。针对气液系统中气泡的聚并和破碎过程，本项目提出了一种新的物理机制。认为前者由粘性耗散趋于最小控制，后者由表面变形和振荡耗散趋于最小控制。在此基础上，我们用这一稳定性条件封闭计算流体力学和群平衡方程(CFD-PBM)，提高了气泡粒径分布模拟的合理性和准确性，消除了传统模型中的经验参数。这一方法已初步扩展应用于巴斯夫液滴乳化分散设备，建立了连接两个层次介尺度问题的跨尺度研究方法，获得巴斯夫合作方的高度评价。实验方面，应用电导探针和床层塌落方法测量了大小两种气泡的特征结构，提出了从气泡弦长计算气泡直径的新方法。该理论已初步应用于二氧化碳矿化反应器的研究中，针对工业固废磷石膏直接矿化低浓度工业尾气CO2工艺的微元层次介尺度机制，建立了传递-反应耦合模型，构建了烟气CO2与磷石膏浆膜三相流化矿化的新方法，以上研究共发表论文21篇，SCI收录15篇，获得亚洲杰出研究者和工程师奖