气-液-固三相搅拌槽内颗粒群行为和反应器模拟

In response to increasing interests in gas-liquid-solid three-phase stirred tanks in various industrial processes, it is urgent need to carry out the in-depth basic study on gas-liquid-solid flow, mixing and transfer laws and mechanism. Aiming at this target, a study will be conducted using the multi-scale method by coupling the mesoscopic gas-liquid-solid particle swarms with the macroscopic reactor-scale phenomena, on the basis of the numerical and experimental results of two-phase stirred vessel under the support of National Natural Science Foundation of China (No.20906090). The major objectives include: (a) two-scale gas-liquid-solid three-phase turbulent unit cell model will be developed, and then the in-depth study on the basic gas-liquid-solid hydrodynamical laws will be conducted using this model to acquire the expression of interphase forces in three-phase swarms; (b) Gas-liquid-solid three-phase k-ε-Ap turbulence model in stirred vessel will be developed, and ultimately more accurate numerical simulation of the gas-liquid-solid three-phase stirred tank reactor will be achieved. The basic gas-liquid-solid flow and transfer laws and mechanisms in stirred tank obtained in this project can complement and improve the multiphase chemical reaction engineering theory, and also provide effective guidance for the three-phase stirred tank design and scaleup in various industrial processes such as biometallurgy and fermentation, coal slurry pre-mixing in direct coal liquefaction process, production of alumina by carbonation and aerobic wastewater treatment.

为应对过程工业对气-液-固三相搅拌槽的需求，亟需开展深入的气-液-固三相流动、混合及传递基础规律和机理研究。围绕这一目标，以青年基金项目（20906090）在两相搅拌槽反应器数值模拟和实验研究为基础，本项目采用介观颗粒群和宏观反应器两个尺度耦合方法展开研究：（a）首先发展二尺度气-液-固三相湍流单元胞模型，采用该模型研究气-液-固三相颗粒群介观流体力学规律，导出三相颗粒群相间作用力表达式；（b）发展搅拌槽内气-液-固三相k-ε-Ap湍流模型，最终实现对气-液-固三相搅拌槽反应器的更准确的数值模拟。本项目所获得气-液-固三相搅拌槽内流动和传递基础规律的理论是对多相化学反应器工程学理论的完善与补充，同时对诸如微生物冶金和发酵、煤炭直接液化工艺中的煤浆预混合、氧化铝碳分和有氧污水处理等工业过程中的三相搅拌槽设计和放大提供有效指导。

气-液-固三相体系广泛存在于化工、石化、冶金、环境等过程工业当中。目前还没有成熟的气-液-固三相反应器局部性质测量技术，已报导的气-液-固三相反应器数值模拟也因为对相间作用力做了过多的简化，模拟结果准确性不够理想。本项目从气-液-固三相颗粒群研究入手，获得更加准确的相间作用力表达，并将其应用于宏观反应器的模拟，建立了更加完善的欧拉-欧拉气液固三相搅拌槽模拟方法。并应用一种改进的取样装置和方法首次实现了三相体系局部气含率和固含率分布的同时测量，采用所建立的数学模型模拟结果与实验测量结果吻合更好。此外，本项目还研制了一种基于远心照相原理的多相测量仪，并研制了相应的测量方法，已能够实现两相及三相以上体系相含率、颗粒尺寸及速度分布的同时测量。在实验和模拟的指导下，优化设计了多级导流搅拌槽生物冶金反应器，并进行了工程放大研究，目前正在开展30 m³反应器的中试试验。同时，本项目还采用一种文丘里型微气泡发生器，开展了微气泡强化气-液传质过程的研究，得到了文丘里发生器的操作规律及工程放大方法。本项目的研究结果完善和补充了多相化学反应器工程学理论，所获得气-液-固三相搅拌槽内流动、传递规律和宏观反应器的数值模拟方法，已直接用于指导气-液-固三相反应器设计和工程放大，对于相关行业的节能降耗具有重要意义。.本项目已发表期刊论文13篇（SCI论文6篇，另有1篇在审），撰写并已出版英文专著1章，参加国际会议交流3次，国内学术交流7人次。申请国际专利4项（1项已授权），申请中国发明专利5项（1项已授权）。已申请并获得授权计算机软件著作权13项。本项目已培养毕业博士生1名，硕士生6名（含4名联合培养），项目成员2人由中级职称晋升高级职称，硕士生导师。项目主持还获得了单位“优秀青年”和“十佳员工”等荣誉。