CFD模拟在浆态床反应器设计中的应用（三）

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4 浆态床反应器内气液固三相模拟

通过第二节模拟计算可以看出，气浆两相模拟与真实情况存在较大差异。为此，本节将在冷模实验和CFD气浆两相模拟的基础上，进行浆态床环流反应器的气液固三相模拟。将水作为连续相，玻璃微球作为固体分散相，空气作为气体分散相，由此构成了气液固三相体系。反应器结构比较复杂，包括气体进口、气体分布器、上升管、上升管扩大段、气体出口、下降管和沉降器等。气体分布器结构采用上一节得到的优化结构，计算模型如图7所示。

图7 浆态床反应器气液固三相模拟几何模型

以固相体积分数为10%，气体表观气速为0.054m/s时的情况为例进行说明。图8是浆态床内气液固三相体积分数分布，其中(a)、(c)和(e)分别表示气液固三相的在ZX 截面的轴向体积分数分布，(b)、(d)和(f)分别表示气液固三相在ZY截面的轴向体积分数分布。

图8 浆态床气液固三相轴向体积分数分布

由图8可知，液相和固相的体积分数分布相似，表明液固相流动形成浆态的趋势。气液固三相在ZY截面的分布均表现出良好的对称性，说明气体分布器的是有效的。

将冷模实验数据与CFD模拟数据进行比较，以验证CFD模拟模型选择和模拟参数设置的合理性。冷模实验测得的反应器内整体气相体积分数为0.0924，CFD模拟计算得到的为0.0904，非常接近。沿反应器不同轴向高度处气相体积分数的CFD模拟值与冷模实验值对比，如图9所示。

图9 反应器同高度截面平均气相体积分数

由图9可知，CFD模拟结果与冷模试验结果比较吻合，但存在一定偏差，这可能是由于CFD模拟中气相采用平均直径，忽略气泡的破碎和聚并导致的；也可能是由于CFD模拟中气相按不可压缩流体处理，而实际过程中塔顶的压力比塔底小，气体可能膨胀造成的。

5 结论

本文采用CFD模拟方法，对费托合成反应器进行了研究。首先，将固液两相拟为浆相，进行气浆两相模拟，模拟结果与冷模试验结果比较吻合，但是随着反应器内气速的升高，偏差变大。然后进行了反应器内气体分布器的优化，得到了较优的开孔率和孔径。最后，进行了气液固三相CFD模拟，初步得到了反应器内各相的体积分率分布，计算结果与冷模试验数据吻合较好。研究表明，采用CFD模拟结合冷模试验进行费托合成浆态床反应器的设计开发是可靠的。