网板柱塞流电化学反应器流动特性的数值模拟

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电催化氧化是一项具有良好应用前景的绿色技术,柱塞流(管式)反应器可以有效地提高电催化氧化技术电流效率,降低处理成本。网板柱塞流电化学反应器(PRE-PFER)因网状平板阴阳极结构大小一致且垂直于水流放置,可有效解决传统柱塞流反应器电流密度不均匀、流速分布不均匀等缺陷。计算流体力学(CFD)可以有效模拟反应器流场,是一种研究反应器性能和优化其结构的高效技术。本文采用CFD技术,用FLUENT软件模拟了网板柱塞流电化学反应器的流场结构,分析了反应器中的速度、湍流强度、压降等水力特性。首先,为优化反应器内电极结构和排布方式,分别设计了单板模型和多板模型,研究了电极孔尺寸、板间夹角和板间距对流场特性的影响,考量了流速分布、湍流强度和压降等参数,发现随着电极孔尺寸增大,反应器内的反应死区面积明显增大;网板电极可以使流场分布趋于均匀且增加流体的湍动;夹角为90度,板间距≥20mm时,电极板间无明显的回流区域和反应死区,且流场分布较均匀,流体的输送能增加,但压降最大。其次,对比了进口方式(轴向中心、轴向下侧、径向垂直和径向相切)对反应器流场的影响。模拟结果表明:反应器进口方向为径向时,进口区域速度分布均匀,优于轴向进口;速度矢量图和压力分布图显示,四种进口中,进口方式为径向相切时,进口区域回流量为27%且反应器中心轴向方向的压降最小,而其余三种在进口区域均产生大面积漩涡,回流量为49.1~58.8%。再者,对比了PRE-PFER和PFER两种反应器的流速分布、湍流强度分布和压降,结果表明:与PFER相比,PRE-PFER中流场受进口区域影响较小,达到稳定所需时间较短;PRE-PFER中径向流速分布更为均匀,正对网孔处出现速度峰值较小,PFER中电极间流速呈抛物线分布;电极网孔可增加流体扰动,增强湍流强度,网板电极垂直排布可大大增加电极的有效面积,但增加流体输送能消耗,增大进出口压差。
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