【摘 要】
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旋转填料床（RPB）可以在设备内产生超重力场,强化传统化工中的流体混合过程。但有研究表明RPB内流体与填料间的相对运动速度较慢,表面更新速率无法进一步提升。本论文设计了一种以金属丝网为填料的分层填料旋转床（SP-RPB）的简化模型,以提高流体微观混合程度。采用CFD手段,以Realizable k-ε湍流模型为基础,利用Fluent软件进行数值模拟计算。分析了 SP-RPB在稳态下的气、液单相流场
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旋转填料床（RPB）可以在设备内产生超重力场,强化传统化工中的流体混合过程。但有研究表明RPB内流体与填料间的相对运动速度较慢,表面更新速率无法进一步提升。本论文设计了一种以金属丝网为填料的分层填料旋转床（SP-RPB）的简化模型,以提高流体微观混合程度。采用CFD手段,以Realizable k-ε湍流模型为基础,利用Fluent软件进行数值模拟计算。分析了 SP-RPB在稳态下的气、液单相流场以及瞬态时的气液混合过程,探究其气液接触过程的强化能力。首先通过改变气、液单相流场中流体的进口速度（0.2～1 m/s）和设备的转速（800～1200 r/min）,对比不同填料层厚度的RPB和SP-RPB内稳态流体的相对速度、压力、湍动能分布。其次使用VOF模型和DPM模型的计算结果,讨论液体在SP-RPB中的微观行为和改变内层填料结构前后的气液接触面积、平均停留时间随转速、进液速度的变化。结果表明,尽管SP-RPB的整体压降较大,但在旋转区域内部有多处相对速度和湍动能陡增的位置,即SP-RPB可制造多个端效应区域,打破入口端效应的限制。增加气、液进口速度和转速,有利于提升SP-RPB内流体微元的扰动程度。当SP-RPB中发生气液混合时,液体主要以液膜流、孔隙流、液滴三种形式存在。液膜流和孔隙流分布在入口附近,其余位置的液体均呈液滴形式存在。液滴发生破碎的位置主要在填料层内缘,故SP-RPB可以提高填料对液体破碎的利用率。转速增加使SP-RPB外层填料中的液滴尺寸变小,气液接触总面积增加。当转速超过500 r/min后,则会增加液体受到的周向曳力和向心力,阻碍其径向的运动,使内层填料附近出现液体累积,减小气液接触的总面积,同时使该处的气液接触面积占比变大。进液速度提高对液滴的尺寸变化无明显影响,但会增加内层填料中的液滴数量,使液体总表面积变大,并提高该位置的气液接触面积占比。SP-RPB内液体的平均停留时间随转速增加基本保持递减。尽管增加的进液速度能在某一阶段内使平均停留时间降低,但在较宽的操作范围中存在较大波动。采用内层填料丝网间距为3 mm的SP-RPB对气液接触面积和液滴分布的均匀程度有正向作用。虽然在转速600 r/min以上或进液速度大于1.8 m/s时,该结构的SP-RPB会使气液接触总面积降低,但可以改善液体在入口处的累积。在一定的转速或进液速度内,使平均停留时间降低,但转速超过1000 r/min和进液速度大于2.8 m/s时,平均停留时间在不同内层填料结构的SP-RPB中基本一致。因此,内层填料丝网间距为3 mm的SP-RPB能在吸收、精馏、萃取等工艺条件下提高气液混合程度并保持设备内气液分布均匀稳定。
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