高压鼓泡床流动和传质行为的模型化及数值模拟

Bubble column reactors have the advantages of simple structure, without moving parts, and good heat and mass transfer performance, therefore they have been used in many processes, such as petrochemical, energy engineering, biochemical and environmental processes. Industrial bubble columns are usually operated at high temperature, high pressure and high superficial gas velocity to give a high production, thus have very different hydrodynamic and mass transfer behaviors from those at ambient pressure and temperature. This project aims to develop the modeling and simulation methods for the bubble column at elavated pressure to study the hydrodynamic and gas-liquid mass transfer behaviors based on our previous works. The research will be carried out as follows: Study on the influence of pressure on bubble breakup, and propose a mechanism model for bubble breakup to predict the effect of pressure; Set up a population balance model with the new bubble breakup model to predict the bubble size distribution at elavated pressure; Simulate the hydrodynamics and mass transfer behaviors of the bubble column at elavated pressure with the CFD-PBM coupled model. This work will make valuable contributions to further develop the method of reactor design and scale-up based on CFD simulations, which is important to both fundamental research and industrial applications.

鼓泡床反应器具有结构简单、无机械传动部件、传质和传热效率高等优点，在石油化工、能源化工、生物化工、环境工程等领域得到了广泛应用。工业鼓泡床反应器通常操作在高温、高压、高气速条件下以提高反应器效率，其多相流体力学行为和气液传质行为与常压体系有显著不同。本课题拟针对高压鼓泡床反应器的流体力学和传质行为研究，结合本课题组在鼓泡床领域的工作基础，发展高压鼓泡床的机理模型和模拟方法。具体研究内容包括：研究压力对气泡破碎行为的影响规律，揭示气泡破碎机理，建立正确反映压力影响的气泡破碎模型；建立考虑压力影响机理的群体平衡模型（PBM），基于气泡破碎和聚并计算高压鼓泡床内的气泡大小分布；进一步建立CFD-PBM耦合模型，对高压鼓泡床流动和传质行为进行模拟，指导反应器设计和放大。本项目针对高压鼓泡床模型化开展工作，有利于发展基于CFD模拟进行反应器设计和放大的方法，具有重要的学术意义和工业应用价值。

鼓泡床反应器在石油化工、能源化工、生物化工、环境工程等领域有泛应用。工业鼓泡床反应器通常操作在高温、高压、高气速条件下以提高反应器效率，其多相流体力学行为和气液传质行为与常压体系有显著不同。建立反应器模型，并基于数值模拟进行定量分析，对反应器优化和设计至关重要。本课题针对高压鼓泡床反应器的流体力学和传质行为研究，结合本课题组在鼓泡床领域的工作基础，发展高压鼓泡床的机理模型和模拟方法。具体研究内容包括：研究了压力对气泡破碎行为的影响规律，揭示了气泡破碎机理，建立了正确反映压力影响的气泡破碎模型；建立了考虑压力影响机理的群体平衡模型（PBM），基于气泡破碎和聚并计算高压鼓泡床内的气泡大小分布；进一步建立了CFD-PBM 耦合模型，对高压鼓泡床流动和传质行为进行模拟。通过研究得到了如下重要结果：（1）考虑气泡内部流动，建立了改进的气泡破碎模型，成功预测高压条件下气泡破碎速率增加的趋势，使CFD-PBM耦合模型能够预测压力增大时鼓泡床气含率的趋势；（2）同时考虑大气泡尾涡加速效应和小气泡阻碍效应，建立了通用性强的曳力模型，显著改进了CFD-PBM耦合模型的适用范围和预测精度；（3）基于实验对气泡破碎行为进行了机理性研究，发现气体密度增大时气泡破碎时间减小，气泡等大小破碎概率增大；（4）采用所建立的CFD-PBM耦合模型对鼓泡床反应器进行模拟，在液体粘度、表面张力、表观气速、操作压力在大范围变化时均能得到可靠的预测结果，说明该模型具有较好的通用性。本项目进一步发展了基于CFD 模拟进行反应器设计和放大的方法，具有重要的学术意义和工业应用价值。