气液搅拌反应器放大的原理、模型和方法

Scientific scale-up of gas liquid stirred reactors is one of the key problems needed to be solved promptly in the further development of petrochemical industries. Fluid flow, mixing, transfer and reaction processes in gas liquid stirred reactors are to be investigated by using experiment, theoretical analysis and numerical simulation approaches. The key problems for scientific scale-up of gas liquid stirred reactors, mechanism and model of gas liquid micromixng and interaction, the relations between flow structure and function of gas liquid system, coupling calculation approach of fluid flow, transfer and reaction processes, are expected to be broken through. The physical and mathematical models and related numerical approaches with high efficiency of fluid flow, mixing, transfer and reaction processes of gas liquid reactor will be established. The fluid flow, mixing, transfer and reaction processes in gas liquid reactors will be coupling simulated numerically. The principle and rules of gas liquid stirred reactor optimum regulation will be clarified. The theory and approach of scientific scale-up of gas liquid stirred reactors will be constructed. The results will promote the development of large scale high efficiency gas liuqid stirred reactors, upgrade the petrochemical industries technology, and put forward to the quantization of chemical engineering.

气液搅拌反应器的科学放大是石油化工节能减排亟待解决的技术瓶颈之一。通过学科交叉，对气液搅拌反应器内混合、流动、传递和反应过程开展实验研究、理论分析和数值模拟，突破气液搅拌反应器科学放大的若干关键难题，即：气液两相的微观混合机理与模型、气液两相的相间相互作用机理与模型、气液两相的流场结构与功能、气液两相的流动传递和反应过程的耦合计算，建立搅拌反应器内气液两相体系的混合、流动、传递和反应的多尺度物理和数学模型以及相关的高效数值方法，耦合模拟气液搅拌反应器内混合、流动、传递和反应过程，阐明气液搅拌反应器优化调控的原理及规律，构建气液搅拌反应器科学放大的理论和方法。研究成果将促进大型高效气液搅拌反应器的开发和石油化学工业技术的提升，并推动化学工程学科向定量化和机理性方向发展。

针对过程工业中常用的气液搅拌反应器放大问题和放大过程中遇到的瓶颈，本项目利用实验和数值模拟的方法对气液搅拌反应器内的宏观/微观混合，气液相间作用，流场结构以及气液传质性能等多个方面展开了研究。在气液搅拌反应器的宏观/微观混合特性方面，在常见的操作状态（如常温及沸腾态）、搅拌器形式（如单层及多层组合桨）等条件下，考察了搅拌槽内桨叶排出流区域、液面以及近壁面处的微观混合效果，不同温度下气液搅拌槽功率消耗、宏观混合特性的差异等内容；在气液相间作用方面，从气泡的连接、聚并行为入手，考察了气泡在气液两相体系中从独立上升，到相互靠近，以及连接，最后达到聚并的整个过程中的速度、受力、排液等方面的行为和特点，此外，还对气泡在湍流场中的破碎行为的全过程进行了描述；在气液搅拌反应器的流场结构和传质特性方面，考察了桨径变化对多层桨气液搅拌槽内流体力学性能的影响、顶层桨径对搅拌槽气液分散特性的影响与优化、非常温下诸多参数对局部气含率的影响规律、热态气-液非凝并体系传质性能、热态多相凝并体系气液分散及传质性能等方面的内容。气液搅拌反应器内宏观/微观混合的研究可为具有不同反应速率的操作体系的搅拌桨形式、加料口位置等参数的优化提供参考；气液相间作用的研究可为反应器内气液相互作用的过程提供模型描述；气液搅拌反应器内流场结构和传质性能的研究则可以为反应器内不同操作条件下桨径的优化、搅拌桨组合形式的优选提供参考和借鉴。项目研究成果丰富，共发表学术论文18篇，培养博士研究生4人，硕士研究生11人，研究成果已成功应用于诸多大型工业发酵反应器之上。