旋转填充床内多相流动、传质与反应过程的CFD模拟

This proposal studies multiphase flow, mass transfer and reaction in a rotating packed bed, aiming at the intensification of unconventional chemical engineering process. The research contents are as followings. The formation and deformation mechanisms, the existing forms and the coalescence rules of microscale liquid in porous medium under the high gravity environment will be revealed by advanced measurement techniques and experimental ways. Moreover, a theoretical model will be built to characterize the transfer and reaction process of RPB in multiphase system by theoretical analysis and computational fluid dynamics (CFD). The effects of various structure scales on the behaviors of multiphase flow and mass transfer are studies, which include small-scale dispersed phase, the dispersed phase and continuous phase, the fluid and equipment internals. A quantitative relationship between structural characteristic and transfer performance will be established. After this investigation, we are expected to put forward new ideas for the intensification of multiphase flow and mass transfer process and provide theoretical basis for scaling up rotating packed bed.

本课题针对非常规化工过程强化的超重力技术，将深入研究旋转填料床内多相流动、传质与反应的规律。研究内容包括：拟采用先进测量技术，实验研究超重力环境下多孔介质中微尺度液体分散相的形成与变形机制、存在形态、分布状况及聚并规律；通过理论分析，借助于计算流体力学（CFD）建立旋转填充床内气液两相流动、传递与反应过程的理论模型，研究多相体系中不同尺度上结构对流动、传递性能的影响，如微小尺度上分散相与分散相、分散相与连续流体间以及设备内构件对流动与传递行为的影响规律；建立结构特征与传递性能之间的定量关系，并提出复杂多相流传递过程强化的方法。通过本课题的研究，可望为以结构调控为核心的超重力旋转床的强化和放大设计提供新思路和理论基础。

本项目针对非常规化工过程强化的超重力技术，围绕旋转填充床内多相流动规律、传质与反应协同机制的关键科学问题开展基础研究。通过三年研究，取得了如下成果：（1）采用高速摄像机对旋转填充床（RPB）液体甩出填料层后的流动状况进行了可视化研究，揭示了RPB 填料流动端效应区的特征；采用X-射线CT技术观测了旋转床内液体流动特征，获得液体在填料层内分布以及持液量的计算式。（2）建立了超重力旋转填充床的计算流体力学模型，对不同结构的旋转填充床的气相分布及压降和液相分布及停留时间进行数值计算，初步揭示了旋转床内气液两相流动状况。（3）研究了旋转床内黏性体系的分子混合规律，考察了操作条件对混合效率的影响规律，证明了超重力设备对黏性体系的混合强化具有明显优势。（4）建立了超重力旋转填充床内气液传质过程的计算流体力学模型，分析了床内传质过程和强化机制。（5）课题的研究结果可为以结构调控为核心的超重力旋转床的强化和放大设计提供新思路和理论基础，成功指导了11万吨/年己内酰胺超重力重排反应的新工艺的开发和工业化应用，取得了显著的增产增效、节能减排效果。（6）已发表学术论文6篇（其中SCI论文4篇）；培养博士生研究生2名，硕士生5名。