环管反应器中液固两相传递特性的研究

论文摘要

多相流是自然界和工业过程中普遍存在的一种基本物理现象，它有着极其广泛的应用背景和大量急待解决的课题。长期以来多相流反应工程一直被认为是一个很难用数学手段和精确的试验来描述和处理的学科领域。由于影响多相流反应工程的因素很复杂，又涉及到流体力学、热力学、传热传质学、化学反应和流变学等许多相关的基础学科，故迄今为止多相流反应工程的内在规律，仍远未被人们所了解。对多相流反应工程的深入研究可为多相流反应器的设计和优化提供理论依据和试验指导，具有重要的工程实用价值，因此研究多相流中的各种传递规律和反应过程是化学工程领域中极富有挑战性的课题。本论文以环管反应器为研究对象，基于颗粒动力学、双流体模型、传质模型和液固两相传热模型，研究了环管反应器中动量、热量和质量传递特性与聚合反应过程，加深了对环管反应器内温度、颗粒浓度等分布的了解，为环管反应器的设计与优化操作提供了理论指导。本论文主要开展了以下几个方面的工作：1．对管道内浆液输送建立了以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型。在浆液流速大于临界沉积速度的情况下，模拟了不同浆液入口速度时的管道压力降，同时对管道内浆液输送液固两相流进行了研究：在大于临界沉积速度、不同浆液入口速度下，压力降与文献中实验结果基本一致；详细分析了不同浆液速度下管道内液固两相的空间分布和浆液非对称悬浮流、移动床流和静止床流等流动形态；在水平方向液相速度分布和固体颗粒相速度分布呈对称状态，而在垂直方向液相速度分布和固体颗粒相速度分布出现一个较大的梯度变化，固体颗粒相速度分布与液相速度基本相同，两者之间的滑移速度很小，可以忽略。2．对环管反应器内液固两相的流动形态研究建立了以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型。在浆液流速远大于自由沉降速度的情况下，模拟了不同浆液入口速度时的环管反应器上升段压力降，同时对管道内液固两相流中的一些重要参数进行了数值研究：在浆液速度远大于自由沉降速度的情况下，不同浆液入口速度下的模拟压力降值与传统经验公式计算值吻合；在入口液固两相体积分布均匀的情况下，环管反应器上升段、弯管段以及下降段液固两相体积分数分布和液固两相速度均不一样，表明文献中环管反应器内流体流动为平推流假设与实际存在偏差；在浆液速度v=3 m·s-1时，液相和固相的速度有一定的速度差，随着入口速度增大，速度差变小；当浆液速度v=7 m·s-1时，固体颗粒相速度分布与液相速度基本相同，两者之间的滑移速度可以忽略；液相和固体颗粒相湍动能在弯管不同位置分布不均，管壁附近，湍动能较大，而在管内部存在一个湍动能较小区域。在同一截面位置，随着浆液速度增大，管道内湍动能明显增强。3．在Euler-Euler双流体动量传递模型的基础上，根据环管反应器内聚合动力学特点建立内液固两相传质模型，对工业烯烃聚合环管反应器内传质规律进行研究：浆液固含率模拟值与工业现场值吻合，以颗粒动力学为基础的环管反应器传质模型能有效地模拟环管反应器内传质过程。模拟结果表明，环管反应器内固体颗粒相体积分数分布并不是一样的，在上升段，固体颗粒相体积分布是均匀的，而在弯管段沿着流动方向趋向不均匀，也必然影响到下降段不再呈均匀分布，但随着下降流动，管内颗粒浓度趋向均匀；在弯管段，在同一截面位置，随着浆液速度或颗粒直径增大，管道内二次流对浆液流动的作用明显增强，使得弯管外侧壁上固体颗粒相浓度增大，管道内固相分布也更加不均匀。4．在Euler-Euler双流体动量传递模型和环管反应器聚合传质模型的基础上，考虑了反应器内液固两相的传热过程，建立了环管反应器的数学模型，对工业烯烃聚合环管反应器内流动、传热和传质及聚合反应过程进行了研究。反应器内浆液温度的模拟值与工业现场值吻合，说明所建立的环管反应器数学模型是有效的。模拟结果表明，环管反应器温度与物料浓度存在不均匀分布。在上升段，温度分布呈中心对称，而在弯管段就不再呈中心对称，下降段的温度因弯管段的不均匀分布而不再呈中心对称分布；随着浆液入口速度或入口固体颗粒相体积分数的增加，环管反应器上升直管段，弯管段以及下降直管段温度降低；管壁冷却水温度不同，对环管反应器内冷却能力也不同，在反应器内相同的释放热量情况下，冷却水温度越低，对反应器内物料的冷却能力就越强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 多相流反应工程与计算流体力学
• 1.2 研究背景和意义
• 1.3 论文的内容与结构
• 第二章 文献综述
• 2.1 颗粒群轨道模型
• 2.1.1 软球模型
• 2.1.2 硬球模型
• 2.1.3 DSMC方法
• 2.2 连续介质流动模型
• 2.2.1 经验关联式
• 2.2.2 颗粒动力学理论
• 2.2.3 液固多相流受力分析
• 2.2.4 液固两相湍流动力学模型
• 2.3 丙烯聚合环管反应器模型
• 2.3.1 丙烯聚合工艺技术
• 2.3.2 丙烯聚合机理
• 2.3.3 丙烯聚合动力学
• 2.3.4 丙烯聚合建模现状
• 2.3.5 环管反应器聚合建模现状
• 2.4 本章小结
• 第三章 管道内液固浆液输送的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 液固两相流的数学模型
• 3.2.1 颗粒动力学理论
• 3.2.2 液固两相湍流动力学模型
• 3.2.3 物理模型及边界条件
• 3.3 数值求解方法
• 3.3.1 研究体系的网格化
• 3.3.2 控制方程的离散化
• 3.3.3 离散化方程的求解
• 3.3.4 网格无关性检验
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 数学模型的有效性验证
• 3.4.2 水平管道内浆液流动充分发展状态的研究
• 3.4.3 管道内浆液流动流动形态的研究
• 3.4.4 浆液输送浓度对流动形态的影响
• 3.4.5 水平管道内液固两相速度分布的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 环管反应器内两相流的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 液固两相流的数学模型
• 4.2.1 颗粒动力学理论
• 4.2.2 液固两相湍流动力学模型
• 4.2.3 物理模型及边界条件
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 数学模型的有效性验证
• 4.3.2 管道内浆液固相体积分数分布
• 4.3.3 管道内液固两相速度分布的研究
• 4.3.4 管道内液固两相湍动能分布的研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 环管反应器内传质过程的研究
• 5.1 引言
• 5.2 环管反应器内传质过程模拟
• 5.2.1 传质模型
• 5.2.2 丙烯聚合动力学
• 5.2.3 物理模型及边界条件
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 数学模型的有效性验证
• 5.3.2 上升段浓度分布的研究
• 5.3.3 弯管段浓度分布的研究
• 5.3.4 下降直管段浓度分布的研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 环管反应器内传热过程的研究
• 6.1 引言
• 6.2 环管反应器数学模型
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 数字模型的有效性验证
• 6.3.2 上升段温度分布的研究
• 6.3.3 弯管段温度分布的研究
• 6.3.4 下降直管段温度分布的研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 作者情况简介
• 博士期间发表论文情况
• 致谢