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摘 要

浸没式膜反应器内流体流动情况是影响膜反应器内催化剂原位分离的关键因素之一，准确描述浸没式膜反应器内的流体流动情况对反应器的设计具有重要意义。目前通过实验研究浸没式膜反应器内流体流动行为所能得到的数据有限，而借助计算机进行的各种数值模拟能提供大量关于流场的信息。本文对浸没式膜反应器内不同条件下的流体流动进行了一系列的计算流体力学（CFD）模拟，研究了浸没式膜反应器内的流动及膜分离过程。模拟计算发现，由于系统中的搅拌为流体提供了竖直和水平方向上的速度，系统中加入的颗粒随流体流动在反应器内均匀分布并做循环运动。该模拟将抽象的流动过程可视化，为反应器的设计和改进提供可靠的理论依据。

关键词：浸没式膜反应器 膜分离 原位分离 数值模拟

CFD Simulation of Flow Process in Submerged Membrane Reactor

Abstract

The fluid flow in the immersion membrane reactor is one of the key factors affecting the in-situ separation of the catalyst in the membrane reactor. Accurately describing the fluid flow in the immersion membrane reactor is of great significance to the reactor design. At present, the data obtained by experimentally studying the fluid flow behavior in the immersion membrane reactor is limited, and various numerical simulations by means of a computer can provide a large amount of information about the flow field. In this paper, a series of computational fluid dynamics (CFD) simulations of fluid flow under different conditions in a submerged membrane reactor were carried out to study the flow and membrane separation process in the submerged membrane reactor. Simulation calculations have shown that because the agitation in the system provides vertical and horizontal velocity to the fluid, the particles added to the system are evenly distributed and cyclical with the fluid flow in the reactor. The simulation visualizes the abstract flow process and provides a reliable theoretical basis for reactor design and improvement.

Keywords: Submerged membrane reactor; Membrane separation; In-situ separation; Numerical Simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 文献综述 1

1.1 课题背景 1

1.1.1多相催化反应 1

1.1.2浆态床反应器 2

1.2 影响搅拌反应器内混合效率的因素 4

1.2.1 叶轮设计 4

1.2.2挡板设置 4

1.2.3 内部构件 5

1.3计算流体力学（CFD）在提高膜通量上的应用 6

1.4 研究目的和思路 7

第二章 CFD模拟方法 8

2.1 液体流动的Navier-Stokes方程 8

2.2颗粒运动方程 9

2.3液体渗透和颗粒沉积模型 10

第三章 圆柱绕流过程的CFD模拟 12

3.1 单相流模拟 12

3.1.1 计算网格 12

3.1.2模型设置 13

3.1.3结果及分析 13

3.2两相流模拟 15

3.2.1网格划分 15

3.2.2模型参数设置 16

3.2.3模拟结果及分析 17

第四章 浸没式膜反应器的CFD模拟 21

4.1 实验仪器 21

4.2计算网格 22

4.2结果及分析 22

第五章 结论 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 文献综述

1.1 课题背景

1.1.1多相催化反应

多相催化反应作为现代化学工业中极为重要的一个获取最终产品的手段被广泛应用于石油化工、染料、特殊化学品等的合成。在现有流程以及新型装置中，采用多相催化的反应器类型很大程度取决于新催化剂的开发与改进。随着催化剂领域的快速发展，对于高活性的催化剂颗粒来说，严重的颗粒内扩散和热传递限制在这些反应器中越发明显，除热不及时可能导致催化剂的失活，这是反应过程低选择性的主要原因，这就促使我们将更多的精力投入到反应器的研发和改进上，以期达到减小损耗的目的^[1]。因此，开发出一种可以系统直观地显示反映其内部情况的方法迫在眉睫。

多相催化反应的过程可以总结为图1.1所示：反应在固体催化剂的表面上进行，反应物首先流体相主体传递到催化剂表面上，然后在催化剂活性部位进行反应，最后反应产物从催化剂表面脱落后，进入到了流体相主体中。多相催化反应所用的催化剂大多数为多孔材料，反应物可以是液体，也可以是气体^[2]。

图 1.1多相催化反应步骤

1.1.2浆态床反应器

在多相反应过程中，本征化学反应是快速反应，则外部或内部传质以及传热速率会影响总反应速率，传热或传质步骤为速率控制步骤。要想使反应速率加快则需要选择粒径小的催化剂，这将在颗粒内部提供较小的特征长度以利于热量和质量的传递，达到更高的比表面积来克服外部传递限制。但是，由于单位体积内较高的表面积提高了整体表面摩擦，细颗粒也会对流动的流体产生较高的压降。在这种情况下，相比于在固定反应器中保持静止的颗粒，能够自由移动的催化剂颗粒更有利于反应速率的提高，可获得更好的传热和传质特性而没有过大的压降。由于本征反应速率很快，在这种情况下催化剂负载不高，这进一步促进了催化剂颗粒自由移动。催化剂颗粒处于流化状态的这种反应器一般称为三相浆态床反应器。

图 1.2 鼓泡浆态反应器

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