微旋流混合器中液体混合特性CFD-PBM数值模拟_武洁.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程()收稿日期:基金项目:内蒙古电力科学研究院 年自筹项目()作者简介:武洁(),女,硕士,工程师,研究方向为能源与环境保护,电话:,:;刘程琳,博士,副教授,通信联系人,:。化工流体力学微旋流混合器中液体混合特性 数值模拟武 洁,张志勇,李 丽,蒋天诚,吴玉学,刘程琳(内蒙古电力(集团)有限责任公司 内蒙古电力科学研究院分公司,内蒙古 呼和浩特;苏州聚智同创环保科技有限公司,江苏 常熟;华东理工大学 国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心,上海)摘要:微旋流混合器是一种由微旋流气浮演化而来的设备,可以强化物料的混合与传质。文中研究利用 计算模型,研究微旋流混
2、合器内气液两相分布,考察微旋流混合器内流体颗粒粒径分布及变化特性。分别以空气和液相作为气液两相,研究不同气、液相入口流速下的流场形态与相关流体力学参数。结果表明:通入气相会诱导设备内部产生新的循环流动形态,增强宏观混合,直径大于.的气泡无法在内筒中的旋流环境中稳定存在,并随着旋流速度逐渐减小,气泡发生聚并,最终演化为.直径的气泡流出。增加液相入口速度可以增加整体流动速度,同时增加气相体积分数,气相体积分数最高可达到。随着气相流速增加,在微旋流混合器内筒下端形成连续空腔。关键词:计算流体力学;聚并破碎;群体平衡模型;微旋流混合器中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(.,().,.,;.,.
3、,;.,):,.,.,.,.,.:;化学工程 年第 卷第 期 投稿平台:微旋流混合器作为一种强化相分散设备,借助流体相间作用力,产生巨大的相界面接触面积,提高体系混合程度,强化相间传质效率,减少反应时间,在含油废液相气浮除油领域得到了广泛应用。微旋流混合器是一种由浮选柱发展而来的设备,最早由犹他大学 等将其用于煤粉浮选。传统浮选依靠重力分离物料,速度较慢。浮选柱利用离心力场,可以加快浮选速度,提升设备处理量。在气泡的产生方式上,传统浮选中大量应用的是气体分散器,而浮选柱通常采用溶气或引入喷嘴等方式,以便产生更细小的气泡。等利用旋流浮选器对软木浆中的纤维进行分级,研究了进料流率、气相流率、溢流比
4、等因素对长纤维回收率的影响。等以旋流浮选器为吸收装置,气提回收氰化物,回收率可超过,且排出液中氰化物质量分数低于。夏福军等利用微气泡旋流气浮装置处理大庆油田含聚污液相,大大提高了聚驱采出液相的处理效果和效率。程航等采用欧拉模型与群体平衡模型相结合的方法对三相混合器流场进行数值模拟,研究了混合器速度场分布规律,分析了充气条件下流场中气泡分布特征。文中将微旋流混合器应用于脱硫废液相除钙镁的反应中,重点研究在不同物料流速的操作条件下,内部流体的流动状态和混合强化效应。数学模型.几何模型及网格划分微旋流混合器几何模型的结构设置如图 所示。图 微旋流混合器几何模型示意图 主体结构由 个内筒、个外筒和 组
5、连接内外筒的管组构成。内筒为 个直径 ,高 的竖直圆柱;外筒为 个内径 ,外径 ,高 的竖直圆管;管组由 层管径 的水平管,在竖直方向上等间距排列组成,组管组呈旋转对称均匀分布。微旋流混合器运行时,液体从外筒侧面入口进入,经由管组进入内筒;气体从内筒上方进入,与液体经过充分混合后,从内筒下方流出。几何模型在内筒的上下段预留了 倍内筒直径 的长度,以保证流场的充分发展。由于微旋流混合器入口附近的流场变化剧烈,湍流度及能量耗散较大,因此在该区域进行了局部网格细化处理。在节约计算资源的同时保证了计算精度。.物性参数及边界条件数值模拟计算过程中主体介质液相密度为.,黏度为.;气相密度为.,黏度为.。液
6、相与气相分别从外筒侧面入口与内筒顶部入口进入,设为速度入口。出口为内筒底部,设为压力出口,相对压强为。采用双精度求解器求解欧拉模型,将求解过程分为 个阶段:第 阶段使用稳态求解器,气相入口速度设为,此时体系内只有液相,计算至收敛获得液相的稳定流动;第 阶段使用瞬态求解器,以稳态结果作为初值,气相入口设为工况流速,在内筒中形成稳态分布后停止计算。.模型设置.湍流模型本研究对象内部流体的运动是强旋流,各向异性较强;同时又存在气液两相流动。流体流动需要满足质量守恒、动量守恒方程:()()()()式中:为密度,;为时间,;为流体速度,;为破碎和聚并引起的传质源项,();为压力,;为流体黏度,;为相间作
7、用力,;为矩阵。.模型由于研究模型中气相体积分率较小,且表现为武 洁等 微旋流混合器中液体混合特性 数值模拟 投稿平台:不连续相,故需要对气泡进行建模,以便更准确地描述流域内的流动。采用群体平衡模型()描述气泡的聚并与破碎现象,通过离散法获得气泡群体的粒径分布。.模型为了描述多相流动中液滴尺寸聚并与破碎行为,将描述多相体系分散特性的 模型与 模型进行耦合,分别采用 模型和 模型描述破碎和聚并现象,封闭群体平衡方程,建立 模型。输入信息包括两相流体的物性参数、旋流反应器操作参数以及初始分散相液滴尺寸分布,输出信息为反应器内速度、浓度和压力场分布、分散相体积分数分布和旋流反应器内不同位置处分散相液
8、滴的尺寸分布,采用离散法对群体平衡方程进行数值求解。.模型验证模型分别用大涡模拟()和雷诺应力模型()进行计算,结果如图 所示,两者趋势基本相同,说明使用 基本满足对于物理模型的精度要求。该模型相对于其他涡黏模型,放弃了各向同性涡黏的假设,通过求解雷诺应力输运方程以及耗散率方程进行计算。为方便后续的结果分析,本文采用。同时,通过实验对模型进行了可靠性验证,证明了模型的可行性。图 中心线轴向速度分布 结果与讨论.流动特性研究分别设置入口液相和气相速度为 和.。图 为微旋流混合器内液相速度绝对值分布图。液相经管组沿切线方向流入内筒,在内筒外壁形成局部高流速区域,拥有较大的速度梯度。液相在内筒中形成
9、旋流,一部分内筒外侧向上运动,到达气体入口处,随着气体一起向下运动。气相进入内筒后,推动下行的液相向下内筒边缘运动,与最外侧的上行液相形成较大的相对速度。图 微旋流混合器的液相速度绝对值分布 图()和()分别显示了微旋流混合器中气相速度和体积分数分布图。在管组下游,形成了一个上浮区域,气相夹带少部分液相并且带动了周围的液相向上运动,与中央部分下行的液相形成撞击的射流,从而在撞击的部分形成强烈的湍动,进而实现了在这部分区域的混合强化效果。图 微旋流混合器内分布云图 如图 所示,在内筒中管组附近的区域,由于旋流的离心力作用,气泡远离壁面,直径大于.的气泡体积分数较小,且无法在内筒中的旋流环境中稳定
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