第11卷第1期 2011年2月
过程工程学报
The Chinese Joumal of Process Engineering
气升式环流反应器的理论研究进展
张立英，黄青山
Vol.11 No.1 Feb.2011
(1.威海职业学院生物与化学工程系，山东威海264210：2.中国科学院青岛生物能源与过程研究所院生物燃料重点实验室，山东青岛266101) 摘要：概述了气升式环流反应器的流体力学模型，对工程实用性较强的气液两流体模型和气泡导致的漏动模型进行了分类，并对常见相间作用力模型和多相流求解技术进行了总结和评价，指出将Favre平均的两流体模型和采用Sato 模型考虑气泡导致润动的-ε模型相结合是现阶段气升式环流反应器设计和放大的有力工具，在分析了气液两相流理论现状的基础上，指出了其存在的间题和进一步的研究方向
关键词：气升式环流反应器：计算流体力学；两流体模型：多相流
中图分类号：TB126 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2011)01-0162-12
优化和放大的有力工具，
气升式环流反应器是由鼓泡反应器改进而来的新型反应器，它综合了鼓泡床和搅拌釜的性能，具有结构简单、无机械转动部件、剪切力场均匀、低能耗和高能效等优点，因而被广泛用于诸多领域，如费托合成、一步法合成甲醇与二甲醚、汽油脱硫、重油氢化、生物废水处理及发酵工程等，环流反应器有多种形式，大致可分为以下几种类型：内环流和外环流，单级和多级，单简和多筒，气升式、喷射式和推进器式等[2]
虽然环流反应器的结构并不复杂，但由于影响环流反应器性能的因素较多，包括结构参数(反应器和导流筒简直径、长径比、气液分离区的型式、底部封头型式、气体分布器型式及进气方式、内构件的型式及结构等) 气液体系的物理性质(气液体系的密度、粘度、表面张力、气泡直径等）及操作参数(气液表观速度、气液比，压力、温度)等，各参数间相互影响，导致放大较困难3] 已有许多经验、半经验关系式(+-10估计气升式环流反应器内的流体力学参数.虽然经验的方法使放大设计的可靠性有所改善，但离科学、基于机理的方式放大和设计反应器的目标还有很大的距离，这些模型是简化的模型，不同的研究者采用不同的简化假设，是局限于特定范围的反应器结构和操作条件得到的，适用范围非常窄，不具备通用性，将这些关系式外推具有较大的风险，
随着计算机技术和流体力学的发展，用基于理论的计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)方法对反应器进行设计、优化和放大越来越受到关注，且取得了较大的成功[I-16],CFD方法具有资金投入少、设计速度快、信息完备、仿真能力强等优点，已成为设计、收稿日期：2010-12-08，修回日期：2011-0216
基金项目：国家自热科华基金资助项目(编号：20976088）
2气液两相流流体力学模型 2.1气液两相流体力学模型的分类
适合环流反应器内流体力学仿真的数学模型主要有欧拉一拉格朗日模型及欧拉一欧拉模型。欧拉一拉格朗日模型以欧拉方法处理连续相，而把分散相当作离散的气泡或气泡群，并采用拉格朗日方法对每个分散相颗粒进行追踪，连续相和分散相之间的相互作用可通过考电电力、升力、虚拟质量力和Basset历史力等来实现.根据分散相气泡的大小和浓度，相间耦合可从3种不同水平来考虑：当分散相气泡非常小且浓度低时，可忽略相间的相互作用，这种情况称为单方式耦合；对于中等大小的气泡和/或中等气体浓度时，分散相和连续相之间的相互作用就必须考虑，也称为两方式耦合；当气含率较高时，不仅需要考虑两方式耦合，还需要考虑气泡之间由于相互碰撞而导致的动量交换，这种情形也称为四方式耦合[17]，由于欧拉-拉格朗日方法直接考虑了气泡之间及气泡和连续相之间的相互作用，非常适合用于基础研究.然而由于计算量的限制，欧拉-拉格朗日方法仅限于表观气速和气含率较低(低于5%)且气泡数少于 100000个的情况.所需计算量不仅与网格数相关，也与追踪气泡数密切相关.当气含率和气泡数较大时，对所有气泡进行跟踪变得不现实，需要采用其他的数学模型。
在工程应用的多相流模型中，大多采用欧拉一欧拉两流体模型，两流体模型假设两种流体是共存的、互相贯穿的连续介质，其运动规律遵从各自的微分控制方程组，同时，两流体间存在动量、能量及质量的相互作用。然而，由于多相流的复杂性，对两流体模型的封闭至今
作者篇介：张之英(1978-)，女，山东省潍坊市人，硕士，讲师，研究方向为化工流体力学及传递过程的仿真：黄青山，通讯联系人，Tel:0532-80662791
E-mail:qshuang@home.ipe.ac.cn. 万方数据