氣液鼓泡床內(nèi)的液體流速分布.docx

1、第57卷第7期2006年7月Vol.57No.7July2006化工學(xué)報(bào)JournalofChemicalIndustryandEngineering(China)研究簡(jiǎn)報(bào)氣液鼓泡床內(nèi)的液體流速分布羅瀟，劉平樂(lè)，羅和安（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411105）關(guān)鍵詞：鼓泡床；湍流站度分布i液體循環(huán)中圖分類(lèi)號(hào)：TQ021.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0438-1157(2006)07-1565-05Modelingofliquidcirculationingas-liquidbubblecolumnsLUOXiao,LIUPingle,LUOHe*an(.DepartmentofChemicalE

2、ngineering,XiangtanUniversityXiangtan411105,Hunan,China)Abstract:Thispaperproposesamodifiedmodelofeddyviscositydistributionforliquidflowinbubblecolumnsbasedonarelationshipfromsingle-phaseflowandthendevelopsaliquidcirculationmodelforbubblecolumns.Thecomparisonbetweentheliquidcirculationmodelandtherep

3、ortedexperimentaldatashowsthattheliquidcirculationmodelbasedonthemodifiedmodelofeddyviscositydistributionnotonlyagreeswiththedataverywellbutalsohasawideapplicationrange.Inaddition,thedeterminationofthemodelparametersisdiscussedaccordingtothesimulationforthereporteddatawiththismodel.Keywords：bubbleco

4、lumn；eddyviscositydistribution；liquidcirculation引言鼓泡床是一種重要的氣液或氣液固多相反應(yīng)器.液體循環(huán)流動(dòng)是鼓泡床的一個(gè)重要流體力學(xué)特征，從20世紀(jì)50年代人們就開(kāi)始對(duì)此進(jìn)行了比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究口句.這個(gè)特征對(duì)鼓泡床的流體返混行為、氣含率、氣液界面積以及傳熱傳質(zhì)系數(shù)都有很大影響，特別是液體返混行為可以由液體循環(huán)特性直接決定.如何準(zhǔn)確地描述和預(yù)測(cè)鼓泡床中的液體流速沿徑向的分布，關(guān)系到鼓泡床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和優(yōu)化.因此，許多年來(lái)它一直是人們致力探討的重要課題之一幻.目前，鼓泡塔內(nèi)液體流速分布的研究方法主要包括CFD和簡(jiǎn)化數(shù)模兩類(lèi)方法.這兩類(lèi)方法的基

5、礎(chǔ)都是流體力學(xué)基本方程.前者雖然對(duì)基本方程簡(jiǎn)化較少，但在實(shí)際計(jì)算時(shí)必須對(duì)一些參數(shù)作較大的簡(jiǎn)化和假設(shè)，而且計(jì)算量也較大.后者則側(cè)重對(duì)基本方程的簡(jiǎn)化，這樣不僅計(jì)算量較小，而且比較直觀.因此.本文采用比較簡(jiǎn)單的擬均相流概念研究氣液鼓泡床中的液體循環(huán)現(xiàn)象.1液體速度分布模型的建立1.1基于濡流秘度概念的基本模型將鼓泡床中的兩相分散流視作不可壓縮的均相流時(shí)，角速度和壓力的徑向變化都可以忽略，則其液體運(yùn)動(dòng)方程可以簡(jiǎn)化為一號(hào)=羿+心（】一七）2006-02-08收到初稿,2006-03-27收到修改稿.聯(lián)系人：劉平樂(lè).第一作者：羅漾1981-）.男，碩士研究生.基金項(xiàng)目：國(guó)家臼然科學(xué)基金項(xiàng)目（2017604

6、6）.Receiveddate：20060208.Correspondingauthor：Prof.LIUPinglc.Email；liupinglc®Foundationitem：supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(20176046).其中r=一Pi.3.+*)果r=一Pi.3.+*)果<2)£g為局部氣含率，目前尚未發(fā)現(xiàn)理論模型的報(bào)道，主要依靠經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，如通常采用m+2八、g=EgEK（E）(3)式中小和。均為由實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù).不過(guò)，考慮到壁面處的氣含率為零，一般取c=l.將式（2）和式（3

7、）代入式（1）,量綱1化后可整理得鼓泡床液流分布的基本模型du_5（1一3+W弟eI-I-V,/yL其中FT"-rwA-i/i(5)由式（4）確定的液體速度分布，應(yīng)該滿足壁面處流速為零的邊界條件以及物料守恒的條件u|=0»2（uJd。=Jo，Re(6)這樣，只要已知湍流黏度好，就可以根據(jù)基本模型式（4）確定液體在鼓泡床中的流速分布.但是，湍流黏度并非流體的一個(gè)物理性質(zhì)，而是表述速度脈動(dòng)的一個(gè)特征，決定于湍流的時(shí)均流速場(chǎng)和幾何邊界條件.因此，湍流黏度應(yīng)該是流動(dòng)狀態(tài)和徑向位置的函數(shù).不過(guò)，對(duì)于湍流黏度的描述，迄今為止還只能依靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停疫@些模型多是針對(duì)均相流場(chǎng)的.例如，Re

8、ichard/101提出的均相管道流湍流黏度模型=如擊（1+2聲）（1一聲（7）其中如=0.07.后來(lái)Mizushina等根據(jù)均相管道流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)更為精確的分區(qū)模型0.07Ee,0<a=<0.4點(diǎn)夕（】一。）一1,aWyb（8）aRea（l-#）3,bWl式中b取值見(jiàn)文獻(xiàn)11.然而，Menzel等。發(fā)現(xiàn)鼓泡床中的湍流黏度分布基本符合Reichardt模型.劉輝等的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了Reichardt模型變化趨勢(shì)可適用于氣液鼓泡床.1.2基于改進(jìn)Reichardt關(guān)系式的液速分布模型如前所述，源自均相流的Reichardt湍流黏度分布模型式（7）可以較好地應(yīng)用于鼓

9、泡床兩相流.然而，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，該模型的參數(shù)確定方面還存在較大差異.Lu。等閉認(rèn)為可以直接采用均相流的結(jié)果，即取如=0.07.Menzel在鼓泡床中的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果則表明最適宜的如值不僅與均相流不同.而且還與液體物料的黏度有關(guān)，對(duì)低黏性物料如為0.189,對(duì)高黏性物料如為0.3.根據(jù)劉輝等提出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算的kR值一般在0.5左右.此外，根據(jù)Ohmi等口。給出的均相管道流的湍流黏度分布實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，湍流黏度分布曲線的極值（最大值）及其極值點(diǎn)都隨Reynolds數(shù)發(fā)生變化，不像Reichardt模型那樣是常量.因此，可以將Reichardt模型式（7）修正為*=虹擊（1+虹聲）（1一聲）（9）h.根據(jù)。

10、hmi等的數(shù)據(jù)，式（9）中的模型參數(shù)虹值應(yīng)在13范圍內(nèi)變化.虹值越大，黏度分布曲線極值越大，其最大值點(diǎn)越靠近壁面；反之亦然.當(dāng)虹=1時(shí)，其分布曲線沒(méi)有極值，表現(xiàn)為單調(diào)下降.顯然，當(dāng)參數(shù)虹=2時(shí)，式（9）即為Reichardt模型，湍流黏度在夕=0.5處有一個(gè)最大值.將改進(jìn)湍流黏度模型式（9）代入基本模型式（4）,得速度分布的微分表達(dá)式du1_（1一A）夕+渺二|部如虹（a+夕）（0夕）其中=法成一虹+1）邛=法履+虹一】）'X=/（h+l）2+>（11）VkKRe由此，可以求得液體速度分布的表達(dá)式為招）=1）/,（©）禮H（12）其中"）=患（。）十，.2（6

11、）L（0）=/.><*）+/.（*>=S尸"'+人（夕，（13）加（夕）=arctan修），（夕）=飄ctanh（$）11.1（，）=*血（。+#）,Ii.t（。）=In叩一盧）（一a）叮。.|（夕）+"2（。），q=n/2J=（一e>+6）,n/2q=floor（n/2）（14）同樣，由物料平衡關(guān)系式（6）可得約束條件Fig.1ComparisonbetweenmodelIwithMenzel'sdataFig.2ComparisonbetweenmodelIandRieiema'sdata列出了相應(yīng)的最佳模型參數(shù)值.由此可

12、見(jiàn)，對(duì)于鼓泡床兩相流體系.模型參數(shù)如的數(shù)值顯然應(yīng)該采用Menzel提出的0.189或0.3,而不能采用源自均相流系統(tǒng)的數(shù)值（約為0.07）；模型參數(shù)虹主要與幾何因素有關(guān)，與物性關(guān)系不大：床徑較大時(shí)應(yīng)取較大值，稍大于Reichardt提出的虹=2,床徑較小時(shí)取虹VI.2.此外，氣含率分布參數(shù)m取值的規(guī)律與文獻(xiàn)報(bào)道的研究結(jié)果板基本相符：對(duì)于較高黏性的體系取m=2比較適宜，對(duì)于低黏性體系可取771=4-6；而在同一體系中，表觀氣速越小.小取值應(yīng)該越大.白f-=（15）RXRe當(dāng)平均氣含率及其分布參數(shù)”，以及模型參數(shù)如和虹為已知時(shí)，可由基于改進(jìn)Reichardt關(guān)系式的液速分布模型式（12）、式（13

13、）計(jì)算鼓泡塔內(nèi)的液體速度分布.1.3基于Mizushina關(guān)系式的液速分布模型Mizushina等根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將管道內(nèi)均相流的湍流黏度分作3個(gè)區(qū)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到一個(gè)分區(qū)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪剑?）.由該模型可見(jiàn)：中心區(qū)的湍流相對(duì)黏度為常數(shù)，且等于Reichardt模型在中心點(diǎn)的值；在近壁區(qū)與（1一幻3呈正比.將該分區(qū)模型式（8）代入液速分布基本模型式（4）,就可以求得基于Mizushina關(guān)系式的液速分布（本文模型U）.2結(jié)果與討論采用基于改進(jìn)Reichardt關(guān)系式的液速分布模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)模型I）確定鼓泡床中液速分布時(shí)，需要預(yù)先確定、如和虹等參數(shù).平均氣含率&取決于物料的物性和操作參數(shù)，可以由

14、實(shí)驗(yàn)測(cè)堇或文獻(xiàn)報(bào)道的關(guān)聯(lián)式計(jì)算.氣含率分布參數(shù)以也取決于物性數(shù)據(jù)和操作參數(shù)，目前仍需要靠經(jīng)驗(yàn)選取，通常取28之間的偶數(shù).如前所述，模型參數(shù)如和虹也是物性數(shù)據(jù)和操作參數(shù)的函數(shù)，但在選取這些參數(shù)方面不同研究者之間還存在較大差異.為了探討這些模型參數(shù)的確定規(guī)律，采用模型I對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均偏差為目標(biāo)函數(shù)來(lái)確定小、如和虹的最佳值.如果模型參數(shù)選取恰當(dāng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以吻合很好，如圖1、圖2所示（為了節(jié)省篇幅，這里只給出與Menzel等的比較結(jié)果）.表1Table1ResultsofcomputationItemMenzelPavlovFranzRietemaD/

15、m0.60.1720.150.22“1,/mPas11197uc/cms"此/%63.5221.716.48人R0.1890.1890.1890.3m446614662虹2.3meandeviation/%3.342.162.671.167.731.36圖3和圖4為模型I與模型口（基于Mizushina關(guān)系式的液速分布模型）和Luo等模型的比較.由圖可見(jiàn)，模型I與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，模型II和Lu。等的模型均偏差較大，尤

16、其是在高黏性體系中，模型II的計(jì)算曲線實(shí)際上發(fā)生了變形，中心點(diǎn)的液速計(jì)算值比實(shí)測(cè)值相差一個(gè)數(shù)量級(jí).這說(shuō)明，根據(jù)均相流實(shí)測(cè)結(jié)果的Mizushina湍流黏度關(guān)聯(lián)函數(shù)不適用于鼓泡床，特別是對(duì)較高黏性和較小Reynolds數(shù)的鼓泡床.主要原因可能是該關(guān)聯(lián)式的分區(qū)所致：對(duì)低黏性和很大Reynolds數(shù)的系統(tǒng)，鼓泡床中的湍流黏度分布與均相管道流的類(lèi)似.可以大致分為3個(gè)區(qū)域；但對(duì)較高黏性和較小Reyn-olds數(shù)的系統(tǒng)，區(qū)域邊界點(diǎn)會(huì)重合甚至交叉，湍流黏度分布曲線嚴(yán)重變形以致嚴(yán)重偏離實(shí)測(cè)結(jié)果.由于氣泡劇烈運(yùn)動(dòng)的作用，鼓泡床中的液體流動(dòng)在較大范圍內(nèi)都具有湍流的某些特征，因此從均相管道流實(shí)驗(yàn)得出的Reichard

17、t湍流黏度分布規(guī)律能夠用于鼓泡床.但是不能直接采用源自均相流的結(jié)果，而應(yīng)從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：首先如值應(yīng)該取Menzel根據(jù)鼓泡床的實(shí)測(cè)結(jié)果提出的0.189（低黏性體系）和0.3（高黏性體系），而不是均相管道流的0.07；其次是在Reichardt模型中引入與幾何尺寸有關(guān)的參數(shù)虹.Fig.3ComparisonbetweenmodelswithdataofMenzel'swatersystem值得一提的是，Lu。等的研究表明：直接采用源自均相管道流的Reichardt湍流黏度分布模型求得鼓泡床中的液速分布.與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值吻合較好.這是因?yàn)樗麄兊谋容^基礎(chǔ)是相對(duì)速度，即u/u0.也就是說(shuō)，將計(jì)算

18、的相對(duì)速度與文獻(xiàn)報(bào)道的相對(duì)速度進(jìn)行比較.顯而易見(jiàn)，相對(duì)速度的比較只能說(shuō)明變化趨勢(shì)，而不能說(shuō)明速度絕對(duì)值.當(dāng)采用相對(duì)速Fig.4ComparisonbetweenmodelswithdataofRietema'sglycerolwatersystem度作為比較基礎(chǔ)時(shí)，對(duì)于低黏性體系，模型I與Lu。等模型相差很小.3結(jié)論（1）源自均相管道流的Reichardt湍流黏度分布模型的變化規(guī)律能夠反映鼓泡床中的湍流特征，但其模型不能直接用于鼓泡床.這個(gè)結(jié)論與Luo等的不同，如前所述，這是因?yàn)樗麄儽容^的是相對(duì)流速的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值，而不是絕對(duì)流速的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值.（2）建立在改進(jìn)Reichardt湍流

19、黏度分布模型基礎(chǔ)上的鼓泡床液速分布模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)測(cè)值吻合很好.模型參數(shù)如的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，應(yīng)該取Menzel給出的0.189（低黏性體系）或0.3（高黏性體系）.參數(shù)m取決于體系的黏性和流動(dòng)狀態(tài)，可取2、4、6、8.參數(shù)虹主要取決于鼓泡床的直徑大小，床徑較大時(shí)可取22.2,床徑較小時(shí)可取11.2.符號(hào)說(shuō)明D鼓泡塔徑.mJ.自定義的函數(shù)虹一改進(jìn)Reichardt模型的參數(shù)如Reichardt常數(shù)"氣含率分布因數(shù)P壓強(qiáng)，PaR鼓泡塔半徑，mRe基于平均液速的Reynolds數(shù)Re基于摩擦液速的Reynolds數(shù)鼓泡塔內(nèi)的徑向位置，mU,表觀y體速度，m.S-'

20、;«表觀液體速度，m-S-u液體平均流速，msiU依綱1速度(u=u/tt)U摩擦速度，ms*蜘中心最大液速，ms_,a,9由式(11)定義的參數(shù)"局部氣含率如一平均氣含率代.液體黏度，mPas4鼓泡塔內(nèi)的堂綱1徑向位置h.液體動(dòng)力黏度，m2-s-嶺液體湍流動(dòng)力黏度，m2s-A-液體密度，kgm-3rw壁面乾應(yīng)力，PaX由式(11)定義的參數(shù)References1 PavlovVP.Liquidcirculationinabatchbubbler(Russ.).Khim.Promst.1965,9；698-700RietemaK.OttengrafSPP.Laminarli

21、quidcirculationbubblestreetformationinagas-liquidsystem.Trans.Inst.Chem.Eng.,1970.48：T54-T622 FranzK.BornerT.KantorekH.BuchholzR.StromungsstrukturinblasensAulen.Chcm.Ing.Tech.1984,56：154-1554MenzelT.WeideT.StaudacherO.WeinO.OnkenU.Reynoldsshearstressformodelingofbubblecolumnreactors.Ind.Eng.Chem.Res

22、.,1990.29：988-9945 CassanelloM,LarachiF,KemounA.Al-DahhanMH,DudukovicMP.Inferringliquidchaoticdynamicsinbubblecolumns.ChemicalEngineeringScience.2001,56(21/22)：6125-6134SotiriadisAA.ThorpeRB.Liquidre-circulationinturbulentverticalpipeflowbehindacylindricalbluffbodyandaventilatedcavityattachedtoaspar

23、ger.ChemicalEnginrerSciencet2005.60：981-9946 MiyanchiT.ShyuCN.Fluidflowinbubblecolumns(Japenese).KagakuKogaku,1970.34：958-964YuanxinWu,Al-DahhanMH.Predictionofaxialliquidvelocityprofileinbubblecolumns.ChemicalEngineerScience.2001.56：1127-11307 VolkerMichele.DiexmarCHempel.Liquidflowandphaseholdup-measurementandCFDmodelingfortwo-andthree-phasebubblecolumns.ChemicalEngineeringScience,2002,57,1899-1908ReichardtH.Vollstandigedarst