舒 展，孫宇維，魏 骎，李久義，李海濤，張忠國(guó)

（1.中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013；2.北京市科學(xué)技術(shù)研究院 輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089；3.中國(guó)科學(xué)院 過程工程研究所，北京 100190；4.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所 中國(guó)輕工業(yè)節(jié)能節(jié)水與廢水資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100089；5.北京交通大學(xué) 市政與環(huán)境工程系，北京 100044）

流化床具有相間接觸面積大、混合均勻、傳熱傳質(zhì)效果好等特點(diǎn)，既適合處理高黏度物料，又有利于氣-液、液-液、氣-液-固之間的非均相反應(yīng)［1］。其中，環(huán)流反應(yīng)器壓力穩(wěn)定、上界面平穩(wěn)，各相局部體積分率，尤其是局部氣含率在反應(yīng)器徑向上分布不均勻，使液體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的再循環(huán)，有利于各反應(yīng)組分之間的混合、傳熱和傳質(zhì)。這種環(huán)流反應(yīng)器已在生物化工、環(huán)境工程、煤化工等方面得到了廣泛的應(yīng)用［2-3］，在實(shí)驗(yàn)室小型反應(yīng)裝置上也取得了大量測(cè)量數(shù)據(jù)［4-7］。臭氧催化氧化過程是典型的氣-液-固非均相反應(yīng)體系，非常適合采用環(huán)流反應(yīng)器，近年來利用該反應(yīng)器開展臭氧催化氧化廢水，取得了良好的處理效果［8-9］。但目前仍存在臭氧利用率較低，反應(yīng)器需優(yōu)化等問題。由于工業(yè)試驗(yàn)測(cè)量的局限性，只能夠得到反映流化床宏觀流動(dòng)的數(shù)據(jù)，而無法測(cè)出反應(yīng)器內(nèi)局部區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)。近些年，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法越來越多地被用于探究反應(yīng)器的流動(dòng)和傳遞特性、輔助反應(yīng)器的設(shè)計(jì)選型及工業(yè)級(jí)反應(yīng)器放大過程［10］。

本工作基于液-固擬均相假設(shè)，采用了歐拉法及湍流模型，對(duì)氧氣-水-活性炭冷態(tài)體系在環(huán)流反應(yīng)器中的氣-液-固三相流動(dòng)特性進(jìn)行了CFD 模擬。計(jì)算出環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)各相復(fù)雜且非均勻的濃度、速度、壓力分布，探究了液相環(huán)流特性與流場(chǎng)變化，為臭氧催化氧化廢水工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供參考，為選擇合理的操作條件提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M部分

1.1 幾何構(gòu)體

采用自行設(shè)計(jì)內(nèi)循環(huán)式玻璃反應(yīng)器，反應(yīng)器分外筒（總有效高度800 mm，上半段300 mm，下半段500 mm，內(nèi)徑70 mm，）和套管（高度500 mm，直徑50 mm）。底部為漸擴(kuò)型氣體分布器（高度20 mm，直徑40 mm）入口，氣體分布器采用G3 砂芯，孔徑數(shù)量級(jí)為16～30 μm。底部砂芯處整個(gè)截面看作為均勻進(jìn)氣口，氣速大小由實(shí)驗(yàn)氣流量決定；頂部床層截面作為氣體出口，通大氣。環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部的套管將反應(yīng)器分為環(huán)隙區(qū)域和床層中心區(qū)域。

1.2 體系物性參數(shù)及工況

采用氧氣-水-活性炭冷態(tài)實(shí)驗(yàn)體系替代臭氧-廢水-催化劑反應(yīng)體系，以便于實(shí)驗(yàn)操作和測(cè)量［11］。氧氣、水、活性炭3 種物質(zhì)的物性參數(shù)見表1。

表1 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)體系的物性參數(shù)Table1 Physical properties of cold experimental data

針對(duì)此體系一共完成了5 組冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量所得5 組數(shù)據(jù)具有相同的初始床層液體體積和相同的入口氣量，區(qū)別在初始催化劑存料量不同，具體工況見表2。由表2可知，催化劑存料量的不同決定了流化后的穩(wěn)定液位高度和固含率的不同。

表2 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)操作工況Table 2 Operation condition of cold experimental data

1.3 液-固擬均相物理假設(shè)

氣-液-固三相體系內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜。與兩相流模擬相比，對(duì)氣-液-固三相的耦合模擬尚不成熟。對(duì)于固含率較低的體系，研究者常對(duì)液-固兩相采用擬均相假設(shè)進(jìn)行處理［12］，即將液、固兩相假設(shè)成一個(gè)擬均相，通過修正擬均相黏度、密度的方式考慮固體顆粒的影響，將氣、液、固三相模擬簡(jiǎn)化成氣相、擬均相進(jìn)行模擬［13］。混合相物性參照文獻(xiàn)［14］修正。

1.4 雙流體數(shù)學(xué)模型

歐拉雙流體模型將氣-液兩相看作是相互貫穿的連續(xù)流體。CFD 模擬過程中，第一相為液-固混合物的擬均相；第二相為氣相，以氣泡的形式存在。氣-液相間作用力中，曳力對(duì)流場(chǎng)的影響占主導(dǎo)地位。單氣泡曳力系數(shù)與氣泡大小、形狀以及氣泡周圍流場(chǎng)有關(guān)。多氣泡體系中，氣泡的群體行為對(duì)單氣泡的曳力產(chǎn)生影響，單氣泡的曳力系數(shù)并不適用于氣泡群的模擬，需要進(jìn)行修正。本工作采用的Schiller-Naumann 曳力模型和Tomiyama 曳力模型均已經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正；湍流模型采用Standardk-εmixture 模型。

描述氣泡相與液相的相互作用時(shí)，氣泡直徑參數(shù)必不可少。氣泡直徑影響相間作用力，體現(xiàn)在本構(gòu)關(guān)系中。本工作采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式估算平均氣泡直徑。

1.5 模擬參數(shù)

對(duì)3D 構(gòu)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考察10 000，50 000，150 000 網(wǎng)格數(shù)對(duì)各截面液相速度的影響，認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)50 000達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)解。時(shí)間步長(zhǎng)采用0.001 s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)最大迭代次數(shù)為50 步。套管內(nèi)外4 個(gè)截面處液相流速隨物理時(shí)間的波動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，模擬結(jié)果分析將基于第120 s 至第240 s 的時(shí)間平均統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 軸向氣含率

圖1為軸向氣含率分布。

圖1 軸向氣含率分布Fig.1 Distribution of axial gas holdup.

由圖1可知，兩種曳力模型預(yù)測(cè)得到的氣含率沿軸向變化趨勢(shì)一致，液面高度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中流動(dòng)穩(wěn)定后的液面高度0.581 m 一致，驗(yàn)證了前述模擬參數(shù)和模型選擇的合理性?？梢姡S向氣含率分布的規(guī)律為：反應(yīng)器底部進(jìn)氣處氣含率最大，氣含率隨液位向上逐漸趨于穩(wěn)定值0.1；隨后氣含率出現(xiàn)拐點(diǎn)，迅速增加至接近于1.0，此拐點(diǎn)代表氣體進(jìn)入由液相區(qū)到氣相區(qū)所穿過的氣-液相界面。

2.2 液、氣兩相速度分布

圖2為反應(yīng)器中心X=0 截面處的液相速度與氣泡速度矢量圖。由圖2（a）可知，液相流動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的環(huán)流狀態(tài)，環(huán)隙液體速度向下，從環(huán)隙底部進(jìn)入反應(yīng)器中心；反應(yīng)器中心區(qū)域液體隨著反應(yīng)器底部進(jìn)氣的帶動(dòng)，向上流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了液體的整體循環(huán)。由圖2（b）可知，氣泡速度方向在環(huán)隙區(qū)域始終向下。氣液交界面處，大量氣泡直接穿過液面進(jìn)入反應(yīng)器上層區(qū)域，部分氣泡隨液體共同運(yùn)動(dòng)進(jìn)入環(huán)隙區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了氣相再循環(huán)。對(duì)于臭氧催化處理廢水體系來說，氣泡的再循環(huán)有利于活性臭氧與待處理污水的充分接觸，增加了催化劑與氣、液兩相的接觸時(shí)間，對(duì)反應(yīng)有利。因此，增加參與環(huán)流的氣泡量是反應(yīng)器優(yōu)化的關(guān)鍵。

圖2 X=0 截面處的液相速度(a)與氣泡速度(b)矢量圖Fig.2 Velocity vector of liquid(a) and bubble(b) at cross-section X=0.

2.3 液、氣兩相Z 方向速度分布

圖3為不同截面上液相與氣泡在Z方向上的速度分布。由圖3可知，中心區(qū)域，氣、液兩相的Z方向速度均為正值，表示流動(dòng)狀態(tài)向上；而環(huán)隙中氣、液兩相的Z方向速度均為負(fù)值，表示流動(dòng)狀態(tài)向下。床層中心區(qū)域氣速始終大于液速，說明中心區(qū)域流體流動(dòng)主要靠進(jìn)料的氣泡帶動(dòng)著液體向上流動(dòng)；而環(huán)隙區(qū)域趨勢(shì)正好相反，氣相的速度絕對(duì)值始終大于液相速度絕對(duì)值。從動(dòng)量傳遞的機(jī)理角度分析，環(huán)隙區(qū)域氣、液兩相速度方向一致，當(dāng)液速絕對(duì)值大于氣速絕對(duì)值時(shí)，宏觀上表現(xiàn)為液相以曳力的形式帶動(dòng)了氣相向下流動(dòng)；與此同時(shí)，速度絕對(duì)值較小的氣相流動(dòng)相對(duì)液相是“滯后”的，表現(xiàn)為以曳力的形式對(duì)液相流動(dòng)施加了阻力。從液相流動(dòng)規(guī)律的角度來分析，環(huán)隙套管兩側(cè)液相的流動(dòng)狀態(tài)不同，主要原因是各區(qū)域液相流動(dòng)推動(dòng)力的不同。反應(yīng)器中心區(qū)域，進(jìn)料氣速是中心區(qū)域液相流動(dòng)的主要推動(dòng)力，氣泡帶動(dòng)了液相的流動(dòng)；而在環(huán)隙區(qū)域，模擬結(jié)果顯示套管內(nèi)側(cè)壓力始終小于套管外側(cè)壓力，存在套管內(nèi)外壓差，約40 Pa。壓差作用下，液體發(fā)生環(huán)流流動(dòng)，將氣泡帶入環(huán)隙區(qū)域進(jìn)行環(huán)流循環(huán)。環(huán)隙區(qū)域壓差是液相流動(dòng)的主要推動(dòng)力，套管內(nèi)外兩側(cè)壓差越大，環(huán)隙中被帶入的氣泡量就越多，環(huán)隙氣含率越大。因此，增大壓力差是環(huán)流反應(yīng)器操作與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向。

圖3 不同截面上液相（a）與氣泡（b）在Z 方向上的速度分布Fig.3 Liquid velocity(a) and bubble velocity(b) at Z direction at different sections.

2.4 操作條件的影響

氣相作為中心區(qū)域液體循環(huán)主要的動(dòng)力源，直接影響相間混合、傳熱傳質(zhì)性能。合適的氣流量決定著環(huán)流反應(yīng)器的反應(yīng)環(huán)境。氣流過小，活性炭催化劑無法很好地進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，影響催化作用的進(jìn)行；流量過大，反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)過于劇烈，會(huì)導(dǎo)致部分活性炭溢出反應(yīng)器，不利于催化反應(yīng)的進(jìn)行，造成催化劑的浪費(fèi)和利用不充分。

通過實(shí)驗(yàn)觀察透明壁面反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，可基本確定合理的氣流量。然而，反應(yīng)器一旦放大，將很難采用直接觀察法對(duì)直徑大且不透明的反應(yīng)器進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)觀測(cè)。本工作采用CFD 模擬方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)不同氣流量操作條件（0.5，0.9，1.0，1.1，1.5 L/min）進(jìn)行模擬，以確定合理的操作工況，探索反應(yīng)器流動(dòng)規(guī)律。

進(jìn)氣量不同造成床層穩(wěn)定后液位高度不同，5種進(jìn)氣量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定液位高度分別為0.575，0.580，0.581，0.582，0.586 m。相比進(jìn)氣量對(duì)液相流速的影響，進(jìn)氣量對(duì)液位高度的影響非常小。圖4為不同氣流量工況下液相速度的絕對(duì)值大小。

圖4 Y=0 截面處液體流動(dòng)狀態(tài)的變化Fig.4 Liquid flow behaviors at cross-section Y=0.

由圖4可知，氣速較低（0.5 L/min）的工況下，環(huán)隙液相流速小于0.020 m/s，環(huán)隙液體環(huán)流速度非常低，與實(shí)驗(yàn)觀察到的狀態(tài)一致；而隨著進(jìn)氣量的增加，其他4 個(gè)工況均呈現(xiàn)明顯的液相環(huán)流，氣流量越大，環(huán)流液速越大。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致的變化趨勢(shì)，可見本工作所建立的氣-液-固三相模擬框架能夠合理預(yù)測(cè)冷態(tài)反應(yīng)器各工況的流動(dòng)狀態(tài)，可為下一步熱態(tài)反應(yīng)體系研究提供基礎(chǔ)模擬框架。

3 結(jié)論

1）模擬結(jié)果證明了環(huán)流反應(yīng)器中存在液體環(huán)流。在環(huán)流反應(yīng)器中，氣-液-固三相流在反應(yīng)器套管內(nèi)外存在壓差，促進(jìn)了液體的再循環(huán)，加速了相間混合和傳熱傳質(zhì)性能。

2）反應(yīng)器套管兩側(cè)流體的流動(dòng)狀態(tài)不同，主要源自各區(qū)域流動(dòng)推動(dòng)力不同。反應(yīng)器中心區(qū)域液體流動(dòng)的主要推動(dòng)力是進(jìn)料氣體流速，而環(huán)隙區(qū)域的液體參與環(huán)流則是套管內(nèi)外的壓差所致。

3）提高環(huán)隙區(qū)域氣含率有利于增強(qiáng)氣液相間的接觸。增大環(huán)隙套管內(nèi)外壓力差、降低氣泡直徑是提高環(huán)隙區(qū)域氣含率的關(guān)鍵。