内循环流化床光催化反应器的数值模拟与结构优化
尤 宏*,陈其伟,刘 婷,齐洪波,叶文媛 (哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)
摘要：设计了一种新型三相内循环流化床光催化反应器并采用气、液两相模拟方法对其进行了结构优化.依据模拟结果,明确了挡板的位置、长度、底部曝气面积等因素对反应器流体行为的影响.结果表明,最优反应器升、降流区横截面积比为1:1,挡板距反应器底部的距离为0.175m,挡板顶部与沉降区底部持平,底部曝气面积为升流区面积的1.2倍.将该反应器进行三相数值模拟,模拟结果表明,固相催化剂在反应器内能够很好地流化,反应器内无明显的死区,其固液分界面低于气液分界面,沉降区能够发挥很好的固液分离效果. 关键词：内循环流化床；光催化反应器；数值模拟；多相流
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2009)05-0481-05
Numerical simulation study of internal circulating fluidized bed photocatalytic reactor. YOU Hong*, CHEN Qi-wei, LIU Ting, QI Hong-bo, YE Wen-yuan (State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2009,29(5)：481~485
Abstract：A novel three-phase internal circulating fluidized bed photocatalytic reactor was developed and a gas-liquid two-phase model was used to optimize the structure of the reactor. The simulation results indicated that the position and the length of the plates, the size of aeration area had significant influence on the flow field of the reactor. The structure of the optimal reactor was that the riser cross-section area was equal to the downcomers cross-section area, the plates were kept at 0.175m above the bottom of the reactor, the top of the plates and the bottom of the settlement area had the same horizontal position, the aeration area and the riser area ratio was 1.2. In addition, a gas-liquid-solid three-phase model was established to calculate the flow field of the optimal reactor. The solid phase catalysts could be a very good fluidization. There was hardly any dead area in the reactor and the settlement area could display good subsidence effect on the solid phase catalysts.
Key words：internal circulating fluidized bed；photocatalytic reactor；numerical simulation；multiphase flow
光催化技术应用于废水处理,具有二次污染小、操作简便、高效等优点.它既可以单独使用,也可以与其他水处理技术联用[1].目前,流化床光
-化学反应器已成为一个新的研究热点[23].由于该类反应器中催化剂颗粒以悬浮状态存在于气液混合相中,增加了其与气、液反应物的接触面积,也使反应器内有效光照面积得以提高,因而可大大提高光催化反应的动力学进程.其中循环流化床具有传质能力强、相含率和固体颗粒循环量可分别控制、溶液充氧完全和水力停留时间可控
-等优点[47],已在化工领域中得到了一定的应用.但由于循环流化床光催化反应器的流体行为受体系物性参数和反应器结构的综合影响,同时具有明显的放大效应,因此,其在工业化推广应用方
面,尤其在反应器的结构设计、装置放大、优化操作以及性能预测方面仍缺乏足够的理论指导.
相对于实体实验,数值模拟具有成本低、周期短等优点,可以形象地展现流体流动过程并能够获得一些实体实验难以观测的数据[8].近年来,相继有研究者对各类反应装置进行了数值模
-拟 [7,911],并有部分研究者对模拟结果进行了相应
-的试验验证[1213].证实了利用数值计算方法模拟反应器内流体力学特性具有很高的可行性.本实验构建了一种新型多光源三相内循环流化床光催化反应器[14],并采用Fluent软件对该反应器进
收稿日期：2008-10-10
基金项目：国家“973”项目(2004CB418505) * 责任作者, 教授, youhong@hit.edu.cn
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行了数值模拟和结构优化,旨在为今后设计和应别为2.0和1.0(A1/A2=2.0时降流区狭小,未设置用此类反应装置提供理论支持. 灯管),其模拟结果分别如图2和图3所示. 1 模型的建立
反应器结构如图1所示.反应器采用多光源并设计为方形,灯管垂直贯穿整个反应器,这样可以在放大反应器宽、高的同时仍保持反应器内较大的光照面积与溶液体积比率.数值模拟采用三欧拉多相流模型,紊流模型选用标准k-ε模型;反应器底部设置为气相速度入口边界条件,流量为1.62m3/h,气泡直径设置为1mm;顶部气相出口设置为压力出口边界条件,压力大小设置为标准大气压值[10].计算采用全局初始化并给其赋予一个与最终结果相近的值;反应器起始液面给定为0.91m,由于气提后液相具有一定的流化效果,其最终的气-液分界面明显高于此值[15].
87 120 150 240 A
240 120 87 缓冲区 沉降区 石英管 紫外灯 升流区 降流区 单位:m/s0.833 0.757 0.681 0.606 0.530 0.454 0.378 0.303 0.227 0.151 0.757 0 (a) 液相速度分布 140 138 回流区 密封法兰 11.00.90.80.70.70.60.60.50.40.30.20.10.050.050.040.040.030.030.020.020.010.0135 69 69 69 35 69 69 69 进气口 100 280 100 A 曝气钛板 150(b) 气相体积浓度分布 图2 A1/A2=2.0时反应器内的液相速度分布和气相体积浓度分布 Fig.2 Velocity distribution of liquid phase and volume fraction of gas phase when A1/A2=2
图1 内循环流化床反应器的结构及其尺寸 Fig.1 Size and schematic diagram of internal circulation
fluidized-bed reactor
尺寸单位为mm
相同曝气量下,升流区和降流区间的密度差
越大、升流区不同水平位置间的密度差越小的反
2 结果与讨论
应器更为优越.当A1/A2=2.0时(图2),降流区底部回流面积狭窄,此时过大的回流水速会很大程度2.1 挡板的间距对反应器流场分布的影响
挡板的间距决定了反应器内升流区、降流区的压缩吹入反应器内的气相,使得升流区中部的横截面积比(A1/A2),从而影响反应器内的流场、混合液密度严重小于升流区的两侧,致使液相在升流速度和能量损失等[4].设定反应器的A1/A2分两侧出现大范围的回流现象.由于降流区所占面
5期 尤 宏等：内循环流化床光催化反应器的数值模拟与结构优化 483
积较小,降流区顶部的水速会偏大,使得沉降区有较大部分的气相被携带进入降流区域,这会一定程度上减小反应器内升、降流区间的密度差,从而减小反应器内液相循环流量.A1/A2=1.0时可对以上问题有所改善(图3).
单位:m/s 0.837 0.761 0.685 0.609 0.533 0.457 0.380 0.304 0.228 0.152 0.761 0 (a) 液相速度分布 底部气相的压缩,使得流场分布更为均匀[图4(a)].但缩短的长度过大会导致内循环过程的不稳定,本模型中挡板距底部距离最终选为0.175m.
挡板顶部长度直接影响上升流的速度和流场,同时缩短挡板顶部长度时,会导致顶部出现涡流现象,反应器中稳定的升流区域会有所缩小,从而减小反应器内液相的循环流量[图4(b)].
单位:m/s0.771 0.701 0.631 0.561 0.491 0.421 0.351 0.281 0.210 0.140
0.701 0
(a) 缩短挡板底部长度
单位:m/s0.774 0.704 0.633 0.563 0.493 0.422 0.352 0.281
1.0 10.9 0.90.8 0.80.7 0.70.6 0.60.5 0.50.4 0.40.3 0.30.2 0.20.1 0.10.05 0.050.04 0.040.03 0.030.02 0.020.01 0.01(b) 气相体积浓度分布
0.211 0.141 0.704 0
(b) 同时缩短挡板顶部长度
图3 A1/A2=1.0时反应器内的液相速度分布和气相 体积浓度分布 Fig.3 Velocity distribution of liquid phase and volume fraction of gas phase when A1/A2=1.0
图4 不同挡板长度下的液相速度分布
Fig.4 Velocity distribution of liquid phase when different
2.2 挡板的纵向设置对反应器流场的影响 put of vertical plates
挡板距反应器底部的距离直接影响回流区
的流场和流体阻力.适当缩短挡板底部长度可以2.3 曝气面积对反应器流场分布的影响
将底部气相入口的宽度从相当于升流区加大反应器回流区域的面积,从而减小回流水对
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宽度的80%增加到120%.此时虽然曝气面积已经超过升流区的面积,但由于两侧降流区回流水的冲击作用,上升气流仍能较好的限制在升流区范围内,并使升流区内的气相分布更为均匀,进而带动液相速度在升流区更为均匀的分布(图5).
(图1).选用该反应器进行气、液、固三相数值模拟.模拟以气液模拟得到的稳定流场作为三相模拟的初始化场,添加的固相颗粒直径为2.75× -104m,密度为2200kg/m3,固相颗粒以0.1%的体积分率均匀加入气液稳定场中[9].
0.4y方向上的速度(m/s) 0.30.20.10.0-0.1-0.2-0.3-0.2-0.10 0.1 0.2水平位置(m) (a) 固液速度分布 单位:m/s 0.648 0.589 0.531 0.472 0.413 0.354 0.295 0.236 0.177 0.118 0.589 0 液相固相 0.00120.001200.001150.001150.00110.001100.001050.001050.001000.001(a) 液相速度分布 1.0 10.9 0.90.8 0.80.7 0.70.6 0.60.5 0.50.4 0.40.3 0.30.2 0.20.1 0.10.05 0.050.04 0.040.03 0.030.02 0.020.01 0.01(b) 气相体积浓度分布 0.000900.00090.000850.000850.000800.00080.000750.000750.000700.00070.000650.000650.000600.0006(b)固相体积浓度分布 图6 y=0.347(x=0为反应器正中位置)水平线上的固液速度分布和反应器内固相体积浓度分布 Fig.6 Velocity distribution of solid and liquid phase in y=0.347 and volume fraction of solid phase in reactor 通过分析两相模拟和三相模拟(图5)结果可知,固相的加入对液相流场和气相浓度的分布影体积浓度分布 Fig.5 Velocity distribution of liquid phase and volume 响甚小.固相流速分布与液相流速分布具有较好fraction of gas phase in three-phase simulation 的一致性,固体颗粒的上升速度略小于液相,下降
速度略大于液相,其两相的速度差值在不受灯管干扰的地方接近于固相的终末沉降速度[图6(a)].2.4 气、液、固三相模拟
为了进一步加大降流区底部回流水的过水根据固相浓度分布图可知[图6(b)],固相在反应面积,反应器在两降流区底部均撤去了两灯管器内能够很好的流化,固相速度偏低的地方其固
图5 三相模拟时反应器内的液相速度分布和气相 5期 尤 宏等：内循环流化床光催化反应器的数值模拟与结构优化 485
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相含率略有偏高,如升流区固相浓度高于降流区,但基本保持在0.085%~0.11%,整个反应器内没有明显滞留固相的死区.在反应器沉降区壁面和底部壁面固相浓度会略高于其他地方,这可能是由于固相惯性较大,与壁面碰撞后反向速度较小的原因.在反应器沉降区顶部固相含率随着高度的增加而明显降低,固液分界面低于气液分界面,且固相在沉降区两侧的浓度明显低于沉降区中部区域,说明沉降区对固相催化剂发挥了很好的沉降效果. 3 结论
90-92.
3.1 反应器数值模拟结果表明,反应器挡板的
[13] 赵立新,蒋明虎,孙德智.水力旋流器流场分析与测试 [J]. 化工
位置和挡板长短均对反应器内流场有较大的影
机械, 2005,32(3):139-142.
响,对其进行合理的设置有助于改善液相流场和[14] 尤 宏,刘 婷,孙德智.多光源三相循环流化床光化学反应器气相浓度分布的均匀性. 和Fe/无机载体催化剂的制备及其处理废水的方法:中
国, CN1994546 [P]. 2006-11-24. 3.2 考虑到降流区底部回流水对升流区的冲击
作用,适度的增大底部曝气面积仍能将上升气流[15] Fluent Inc. Fluent 6.3 user’s guide [M]. Fluent Inc., 2006.
较好的限制在升流区域,并且能明显改善整个升
作者简介：尤 宏(1961-),男,黑龙江省鹤岗人,教授,博士,主要从事
流区域液相流场和气相浓度分布的均匀性.
环境污染物监测与分析、污染的化学与物理化学治理技术以及化工
3.3 气、液、固三相模拟结果表明,在给定参数技术在环境中的应用等研究.发表论文30余篇. 条件下,固相的加入对液相流场和气相浓度分布的影响甚小,固相在反应器内能很好的流化,反应器内无明显的死区,在反应器沉降区固液分界面低于气液分界面,沉降区对固相能发挥很好的分离效果.
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