球和球柱体的二元随机填充研究
中国科学: 物理学力学天文学2010年第40卷第11期: 1422 ~ 1430 SCIENTIA SINICA Phys, Mech & Astron https://www.wendangku.net/doc/bc15105104.html, https://www.wendangku.net/doc/bc15105104.html,
引用格式: 陆鹏, 李水乡, 赵健, 等. 球和球柱体的二元随机填充研究. 中国科学: 物理学力学天文学, 2010, 40: 1422 ~ 1430 《中国科学》杂志社SCIENCE CHINA PRESS
论文
球和球柱体的二元随机填充研究
陆鹏, 李水乡*, 赵健, 孟令怡
北京大学工学院力学与空天技术系, 湍流与复杂系统国家重点实验室, 北京 100871
*联系人, E-mail: lsx@https://www.wendangku.net/doc/bc15105104.html,
收稿日期: 2010-06-13; 接受日期: 2010-09-08
国家自然科学基金(批准号: 10772005)和国家重点基础研究发展计划(批准号: 2007CB714603和2010CB832701)资助项目
摘要采用组合球模型和松弛算法, 模拟了等体积及等直径的球和球柱体二元随机填充. 模拟结果表明, 无论混合物组份体积分数如何变化, 混合填充率均呈现出随球柱体长径比先升后降的趋势, 最高混合填充率均出现在球柱体长径比约为0.35处. 模拟结果还表明, 在等体积条件下, 球与球柱体的混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线均为近似线性; 在等直径条件下, 当球柱体长径比较小时, 混合填充率变化曲线也呈近似线性; 当球柱体长径比大于1.6时, 混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线逐渐转变为上凸曲线. 本文还模拟了不等径球的二元随机填充和球柱体随机填充. 其中, 不等径球的二元随机填充率与现有填充率预测模型的预测结果一致, 球柱体组合球模型与解析模型的随机填充模拟结果吻合.
关键词填充, 堆积, 二元混合物, 球, 球柱体, 填充率, 长径比
PACS:45.10.Na, https://www.wendangku.net/doc/bc15105104.html,, 81.05.Rm
球和球柱体是重要的三维几何实体, 在填充研究和工程实际中十分常见. 其中, 球填充的研究开展早, 也已较成熟. 学术界对等径球随机填充率的结论基本一致: 随机密填充率约为0.64, 随机松填充率约为0.56[1]. 球柱体由圆柱和圆柱两端的两个半球组成, 呈胶囊状. 为了描述球柱体的形状, 通常引入长径比w=H/D, 其中H为球柱体中圆柱部分的长度, D为横截面直径. 当w=0时, 球柱体退化为球. 由于球柱体表面光滑, 容易采用解析模型或组合球模型描述, 因此在非球体填充的数值模拟中涉及较多[2~7], 不同数值模拟得到的结果也基本一致: 球柱体最高随机填充率约为0.69~0.7, 出现在长径比w约0.4处.
最密填充始终是填充研究的重要目标. 填充率Φ是填充研究中最重要的指标之一, 粗细程度不同的颗粒混合填充能够明显提高填充率, 在工业生产和科学研究中应用广泛. 混合填充率一般与单种颗粒的填充率、颗粒尺寸分布、颗粒在混合物中的体积分数、颗粒形状等因素密切相关. 混合填充率和颗粒尺寸分布的关系一直都是混合填充问题研究的热点, 二元填充是混合填充的最简单情形, 历来受到格外关注. 在实验研究方面, 不等径球的二元及多元随机填充研究开展较早, 实验结果丰富[8~12]. 与之相比, 非球体的随机填充实验较少, 填充物形状也局限在圆柱、圆盘和立方体等少数几种常见的颗粒形状中[13~15]. 其中圆柱与球的二元随机填充研究相对较多, 但在这些实验中圆柱的长径比均较大, 圆柱和球的体积差距明显, 体积相似的圆柱和球的混合填充几乎没有涉及. 在数值模拟方面, Charlles等人[3]模拟了球柱体和球以及两种形状球柱体之间的二元随机填充, 但在其填充结果中两种颗粒出现分离, 并未充
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分混合; Bargiel [5]对几种长径比的等体积球柱体的二
元随机填充进行了模拟; Kyrylyuk 等人[6]对等直径的
球与球柱体的二元随机填充进行了数值模拟.
混合填充实验结果的理论分析和混合填充率的
预测同样是研究热点. 对于不等径球的多元混合填
充率预测, 主要有简单填充模型[16,17]、混合填充模
型[18]、线性填充模型[19~21]、线性-混合填充模型[22]和
Westman 方程[9,14]等几种方法, 其中线性填充模型和
Westman 方程的预测结果相对准确、应用较广, 并已
推广到非球体填充中. 值得注意的是, 在两种球的粒
径比1r ≈时(/,s l r r r = r s 和r l 分别为小球和大球的半
径), 各预测模型均认为混合物比体积V (Specific
Volume, 1/V Φ=)与颗粒体积分数成线性关系, 即
1122,V V X V X =+ (1)
其中, 1,V 2V 为大小两种颗粒单相填充的比体积,
1,X 2X 为两种颗粒的体积分数.
非球体混合填充率的预测模型均以已有的球的
混合填充率预测模型为基础. Yu 等人[23]认为非球体
颗粒的混合填充与球体具有相似性, 并以球体、圆
柱、圆盘和立方体等几种颗粒之间的混合填充实验结
果为基础, 提出非球体颗粒“等量填充直径”
(Equivalent Packing Diameter)的概念, 在混合填充率
预测中将非球体以具有“等量填充直径”的球替代,
使针对球体的混合填充预测模型同样适用于非球体.
Zou 等人[24]认为如下的等量填充直径d p 经验公式对
所有非球体均成立:
2.785
exp[2.946(1)],p v d d ΨΨ?=? (2) 式中v d 为与非球体颗粒等体积的球的直径, Ψ
为与非球体等体积的球的表面积和非球体表面积之比, 即Wadell 球形度. Yu 等人[14,21]将等量填充直径经验公式分别与Westman 方程及线性填充模型相结合, 对球与几种非球体之间的随机混合填充率进行了预测, 其结果与现有实验值基本符合. 随着对非球体颗粒填充研究的不断深入, 研究者们注意到非球体与球体在填充中具有本质上的差别. 与球形颗粒相比, 非球形颗粒拥有旋转自由度, 在随机填充中会形成与球体不同的填充结构, 且颗粒形状对填充率影响显著[1]
. 在已有的非球体混合填充实验中, 非球形颗粒局限于圆柱、圆盘和立方体等少数几种形状, 不同形状颗粒间体积差距很大, 体积近似的非球体混合填充几乎没有涉及. 这就导致已有的混合填充研究结果主要受不同颗粒间体积差距的影响, 而往往容易忽略颗粒形状这一因素, 在等体积条件下考察混合填充率随颗粒形状变化的研究几乎还是空白. 因此, 需要对等体积颗粒的混合填充进行研究. Kyrylyuk 等人[6]对等直径的球与球柱体的二元随机填充进行了数值模拟, 认为在等直径条件下混合填充率与球柱体体积分数始终呈线性关系, 与球柱体的长径比无关. 而现有的混合填充率预测模型则认为, 当不同颗粒的体积差距较大时, 在混合填充中会出现填隙效应, 混合填充率将明显提高. 因此, 在等直径的球和球柱体的混合填充中, 随着球柱体长径比的增加, 球和球柱体的体积差距逐渐增大, 也应该存在填隙效应, 混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线应为上凸曲线. 由此可见, Kyrylyuk 等 人[6]的结果与现有混合填充率预测模型的预测结果差异较大, 有必要对等直径条件下球柱体和球的混
合填充进行更为全面和深入的研究. 此外, 现有的非
球体混合填充率预测模型仅以有限的实验结果为基
础, 这些实验仅涉及到球、圆柱、圆盘和立方体等少
数几种颗粒之间的混合填充, 对于球柱体等实验中
并未涉及到的颗粒来说, 其适用性、准确性和完备性
等还需要进行充分的检验; 现有的非球体混合填充
率预测模型仅给出了混合填充率与体积分数之间关
系的预测, 而颗粒形状参数对混合填充率的影响还
需要进行系统和深入的研究.
近年来, 计算机运算能力的显著提高和填充算
法的发展, 使数值模拟逐渐成为填充研究的主要手段, 并已形成了序列添加、集合重排、前缘法和优化
法四类方法[25]. 松弛算法是集合重排算法(Collective Rearrangement)的一种, 由于其算法简单、计算量相对较小, 而且能得到接近实际值的填充率, 因此在填充研究中应用广泛. 在非球体填充的数值模拟中, 非球体模型主要有解析模型和组合模型两类[26]. 组合球模型是组合模型中的一种, 其采用多个球的外包
络面来近似非球体的外形, 用多个球体之间的接触替代非球体的接触. 与现有的解析模型相比, 其主要优点是接触判断简便, 而且可适用于任意形状的非球体.
本文采用松弛算法和组合球模型, 首先模拟了不等径球的二元随机填充和球柱体的随机填充, 并与现有的预测和数值模拟结果对比以验证模型和算法的有效性. 之后, 本文对等体积和等直径条件下的
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球和球柱体二元随机填充进行了数值模拟, 以研究球柱体长径比和体积分数的改变对混合填充率的影响, 并与现有数值模拟结果和非球形颗粒混合填充率预测结果进行了比较. 需要指出的是, 本文模拟的填充均为刚体颗粒在周期边界条件的立方体区域内的随机几何填充.
1 松弛算法和球柱体组合球模型
球填充的松弛算法[25]首先在一个相对较小的立方体区域内随机生成各球的位置, 这样形成的初始状态中各颗粒之间存在大量重叠, 之后反复使用松弛算法迭代, 以减少重叠量并逐渐扩大填充区域, 通过球体平动最终完全消除重叠, 获得填充结果. 李水乡等人[26]在松弛算法中引入非球体组合球模型和颗粒转动, 将松弛算法推广到非球体填充. 在非球体的松弛算法中, 颗粒的初始位置和方向均随机生成, 颗粒的平移量和转动量为模型中各组合球平移和转动的矢量和.
本文基本沿用文献[25,26]的算法, 但在邻接球搜索上有所改进. 由于本文的混合填充模拟中通常只存在两种直径差别较大的球, 如果按大球直径划分背景网格[25], 则单个网格中所含小球个数较多, 大大降低了搜索效率. 为此, 本文采用“双重背景网格”, 即分别按大、小球的直径独立划分背景网格, 凡涉及到大球的邻接球搜索均按大网格进行, 只涉及到小球的按小网格进行. “双重背景网格”明显提高了小球邻接球搜索效率, 大小球直径差距越大, 小球个数越多, 搜索效率相对于原背景网格提高得越显著.
本文采用的球柱体组合球模型由一系列球心共线且间距相等的等径球组成, 所有模型的组合球半径均为1, 相邻组合球球心距离均为0.1, 球柱体长径比w 与组合球模型中球个数N 的关系为w = (N ?1) / 20. 因此, 改变模型中组合球个数即可得到不同长径比的球柱体. 组合球模型的体积和表面积等难以精确计算, 但可以利用CAD 系统直接得到. 图1所示为长径比为1.0的球柱体的三维组合球模型和二维示意图, N = 21. 由于相邻组合球之间距离很小, 该模型与真实球柱体相似度很高.
2 球的二元随机填充
球的二元随机填充研究开展较早, 实验数据丰
图1 球柱体(w = 1.0)组合球模型
上图为三维模型, 下图为二维示意图
富, 且已有多种填充率预测模型能对二元随机填充率作出较准确的预测, 如线性填充模型和Westman 方程等. 本文采用松弛算法分别对粒径比r = 0.5和r = 0.7的二元随机填充进行了数值模拟, 大、小球体积分数相等时的填充如图2所示, 其中大球个数均为500. 图2中大、小球分布随机、混合均匀, 没有出现规则排列或分层现象. 本文数值模拟得到的填充率与Westman 方程预测结果的对比如图3所示. 由于Westman 方程的推导基于实验结果, 故其计算中等大球的随机填充率取文献[13]中的实验结果0.61.Φ= 因数值模拟与实验采用不同的边界条件, 本文得到的球的随机填充率均高于实验值, 其中等大球的随机填充率约为0.644. 从图3中可以看出, 在r = 0.5和r = 0.7时本文得到的填充率曲线的最高点位置、曲线趋势等都与Westman 方程基本一致, 这一方面表明本文所采用的松弛算法适用于球的二元随机填充, 另一方面也说明Westman 方程能够对二元不等径球的混合填充率做出正确的预测.
3 球柱体的随机密填充
文献[7]采用组合球模型和松弛算法, 模拟了球柱体长径比在0~1范围内的随机密填充(单相填充), 在w = 0.35处得到最高填充率0.689. 本文在文献[7]的基础上将球柱体的长径比范围扩展到0~4, 得到的最高填充率及其对应的长径比与文献[7]相同. 图4所示为1000个w = 0.35的球柱体的随机密填充, 图中球柱体的位置和方向均呈随机分布, 没有出现规
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图2 不等径球的二元随机填充
(a) r = 0.5; (b) r = 0.7
图3 数值模拟结果与Westman 方程计算结果的对比
(a) r = 0.5; (b) r = 0.7
图4 球柱体的随机密填充 (w = 0.35)
则排列. 本文的数值模拟结果与文献的对比如图5所示. 本文结果与Williams 等人[2]的结果基本一致, 高于Charlles 等人[3]的模拟结果, 但略低于文献[4~6]的结果. 从图5中可以看出, 本文得到的填充率虽然在具体数值上与文献略有差异, 但各填充率曲线总体趋势一致, 最高值位置和最高填充率也基本相同, 这说明本文采用的组合球模型及松弛算法能够适用于球柱体的随机填充.
4 球和球柱体的二元随机填充
4.1 等体积的球和球柱体
本文对等体积条件下球和球柱体(0≤w ≤2.0)的二元随机填充进行了数值模拟, 图6为500个球和500个球柱体(w =1.6, 单个球柱体体积与单个球的体积
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图5 球柱体随机填充率随长径比w 的变化
图6 等体积球和球柱体(w =1.6, X sc =0.5)的二元随机填充
相同)的二元随机填充. 其混合填充率随球柱体长径比的变化如图7所示, 其中X sc 为球柱体体积分数. 从图7中可以看出, 无论球和球柱体的体积分数如何变化, 混合填充率均随球柱体长径比的增加而先升后降, 最高填充率均出现在球柱体长径比约为0.35处. 这与球柱体单相填充时的规律相似, 最高点位置也相同(见图5), 但填充率的具体数值与球柱体体积分数有关. 同时, 本文的数值模拟结果表明, 等体积球和球柱体的混合填充率基本上处于球和球柱体的单相填充率之间(X sc = 0时为球填充, X sc = 1.0时为球柱体填充). 在球柱体长径比约为1.6时, 球柱体单相填充率约为0.643, 与球的填充率最为接近, 此时混合填充率与两种颗粒的单相填充率基本持平, 图中
图7 等体积的球和球柱体混合填充率随球柱体长径比w
的变化
曲线均在这一点附近汇集.
图8(a)为等体积球和球柱体(0.4≤w ≤2.0)的混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线. 在该图中, 不同球柱体长径比的混合填充率随球柱体体积分数的变化趋势基本一致, 均为从球的填充率近似线性地过渡到球柱体的填充率. 图8(b)为采用Westman 方程和等量填充直径方法对等体积球和球柱体混合填充率的预测结果. 当球柱体长径比在0~2.0之间时, 其球形度均在0.83以上, 按(2)式计算得到的等量填充直径与等体积球直径的比值均在0.99~1.02之间, 即按等量填充直径计算, 可认为等体积时的粒径比1r ≈. 因此无论是线性预测模型还是Westman 方程均近似退化为(1)式, 得到一系列线性曲线. 将图8(a)与(b)对比可知, 本文的数值模拟结果与现有的非球体混合填充率预测模型的预测结果在总体趋势上是一致的, 但图8(a)中混合填充率与球柱体体积分数的关系曲线并不完全呈线性关系而是略有下凹, 在同一体积分数下, 其混合填充率大都略低于图8(b)中的预测值. 这些结果表明现有的预测模型能够大致反映球和球柱体混合填充率的变化趋势, 但其预测结果与数值模拟结果尚有一定的差距.
4.2 等直径的球和球柱体
Kyrylyuk 等人[6]对等直径的球与球柱体(0≤w ≤ 3.0)的二元随机填充进行了数值模拟, 结果如图10(a)所示, 其结果表明, 无论球和球柱体的体积分数如何变化, 混合填充率均随球柱体长径比的增加而先升后降, 最高填充率均出现在球柱体长径比约为0.45
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图8 混合填充率随球柱体体积分数的变化
(a) 数值模拟结果; (b) 预测值(0.4≤w ≤2.0)
处. 本文采用组合球模型和松弛算法, 对等直径条件下球和球柱体的二元随机填充进行了模拟, 图9为1698个球和500个球柱体(w =1.6, 球柱体直径与球的直径相同)的二元随机填充, 得到的混合填充率随球柱体长径比的变化如图10(b)所示. 从图中可以看出, 无论球和球柱体的体积分数如何变化, 混合填充率均随球柱体长径比的增加而先升后降, 最高填充率均出现在球柱体长径比约为0.35处, 这一结果与文献[6]得到的结论基本一致, 也与本文在等体积条件下得到的结论相同. 由于采用解析模型以及算法的不同, 图10(a)中文献[6]得到的球柱体填充率高于本文的结果. 当w =3.0时, 球柱体的填充率与球的填充率持平, 当0≤w ≤3.0时, 其混合填充率均高于球的填
图9 等直径球和球柱体(w =1.6, X sc =0.5)的二元随机填充
充率. 而图10(b)中, 当w =1.6时, 本文得到的球柱体的填充率已与球的填充率基本持平, 之后, 随着长径比的增大, 球柱体的填充率低于球填充率, 进而使得混合填充率也低于球填充率. 除此之外, 图10(a)和(b)在曲线趋势和最高值位置等方面均基本一致, 这也表明本文得到的等直径球柱体和球的混合填充率随球柱体长径比的变化趋势是正确的.
图11(a)为等直径的球和球柱体(0.2≤w ≤3.0)的混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线. 在等直径条件下, 球柱体长径比的增大使球和球柱体的体积差距也逐渐增加, 球和球柱体的体积比(或粒径比)逐渐成为影响混合填充率的主要因素. 在图11(a)中, 球柱体长径比较小时, 由于球和球柱体的体积差距尚不明显, 混合填充率随球柱体体积分数的变化趋势与等体积时基本相同, 均为近似线性地从球的填充率过渡到球柱体的填充率. 随着球柱体长径比的增加, 球和球柱体的体积差距逐渐扩大, 当w ≥1.6时, 混合填充开始明显受到填隙效应的影响, 混合填充率-球柱体体积分数曲线由近似直线逐渐转变为上凸曲线. 图11(b)为采用Westman 方程和等量填充直径方法的非球体混合填充率预测结果, 其中球和球柱体的单相填充率采用本文数值模拟得到的数值. 对比图11(a)和(b)可知, 本文的数值模拟结果与非球体混合填充率预测结果虽然在具体数值上存在一定的差异, 但在总体趋势上基本一致. 图11(c)为文献[6]的混合填充率数值模拟结果随球柱体体积分数的变化曲线, 图中混合填充率与球柱体体积分数始终呈线性关系, 而与球柱体的长径比无关. 图11(d)为非球体混合填充率预测结果, 其中球和球柱体的单相
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图10 等直径的球和球柱体混合填充率随球柱体长径比w 的变化
(a) Kyrylyuk 等人[6]的数值模拟结果; (b) 本文数值模拟结果
图11 混合填充率随球柱体体积分数的变化(0.2≤w ≤3.0)
(a) 本文数值模拟结果; (b) 预测值(采用本文得到的单相填充率); (c) Kyrylyuk 等人[6]的数值模拟结果; (d) 预测值(采用文献[6]得到的单
相填充率)
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图12 混合填充率随球柱体体积分数的变化 (w =3.0)
填充率采用文献[6]的数值模拟结果, 其曲线趋势与图11(c)有明显的差别. 从图11(b)和(d)中可以看出, 无论采用何种单相填充率进行预测, 现有非球体混合填充率预测模型均认为在球柱体长径比较大时, 混合填充中出现明显的填隙效应, 填充率显著提高, 且其随球柱体体积分数的变化曲线均为上凸曲线. 以w =3.0时为例, 如图12所示, 本文得到的混合填充率与预测结果相比, 虽然具体数值略低, 但是曲线的总体上凸趋势一致, 反映出了填隙效应对混合填充率的影响, 而文献[6]的数值模拟结果则表现出完全不同的线性趋势. 由此可见, 文献[6]的数值模拟结果与混合填充率预测结果在长径比大时存在显著差异. 本文的数值模拟结果在球柱体长径比较小时与文献[6]和预测值均大体一致, 而在长径比较大时与文献[6]相比更接近预测的结果. 然而需要指出的是, 在大长径比时本文得到的混合填充率-体积分数曲线与预测模型曲线虽然均为上凸, 但在程度上均低于预测模型曲线.
5 结论
本文模拟了球的二元随机填充、球柱体随机填充, 以及“等体积”和“等直径”条件下球和球柱体的二元
随机填充. 不等径球的二元随机填充模拟结果与现有填充率预测方法符合较好, 说明松弛算法适用于球的二元随机填充, 且现有的预测模型能够正确预测不等径球的混合填充率. 球柱体单相填充的数值模拟在w = 0.35处得到最高填充率0.689, 本文得到的最佳长径比和最高填充率与采用解析模型的数值模拟结果基本相同, 填充率曲线总体趋势也吻合, 这表明松弛算法和组合球模型适用于球柱体的随机填充. 等体积和等直径的球和球柱体二元随机填充数值模拟结果表明, 无论组分体积分数如何变化, 混合
填充率均呈现出随球柱体长径比的增加而先升后降的趋势, 最高填充率均出现在球柱体长径比约为0.35处, 这一结论与文献[6]对等直径的球和球柱体二元随机填充的数值模拟结果相一致. 模拟结果还表明, 在等体积条件下, 球与球柱体的混合填充率随球柱体体积分数的变化趋势均为近似线性, 这与现有非球体混合填充率预测模型的计算结果大体一致; 在等直径条件下, 当球柱体长径比较小时混合填充率变化趋势也呈近似线性, 但当球柱体长径比大于1.6时, 颗粒大小差异引起的填隙效应逐渐成为主要因素, 混合填充率随球柱体体积分数的变化曲线逐渐转变为上凸曲线, 这与混合填充率预测模型的预测结果类似, 但与文献[6]中结果的线性趋势差异明显. 虽然现有的混合填充率预测方法的预测结果与本文的数值模拟结果尚存在一定差距, 但两结果总体一致, 说明现有的混合填充率预测方法能够大致反映填充率的变化趋势, 同时也表明现有基于经验的混合填充率预测模型可能还有待于进一步地完善.
本文对等体积和等直径两种特殊情形下的球和球柱体二元随机填充进行了相关研究, 分别反映了颗粒形状和颗粒大小两种因素对混合填充率的影响. 这些总体规律对一般情形下的球和球柱体二元随机填充也同样适用, 但对于一般情形下的球和球柱体以及其他形状颗粒之间混合填充率的准确预测还需要开展全面和深入的研究.
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22 Yu A B, Standish N. Estimation of the porosity of particle mixtures by a linear-mixture packing model. Ind Eng Chem Res, 1991, 30(6):
1372—1385
23 Yu A B, Standish N. Characterization of nonspherical particles from their packing behavior. Powder Tech, 1993, 74(3): 205—213
24 Zou R P, Yu A B. Evaluation of the packing characteristics of mono-sized non-spherical particles. Powder Tech, 1996, 88(1): 71—79
25 赵亮, 李水乡, 刘曰武. 直径任意分布球填充的数值模拟. 计算物理, 2007, 24(5): 625—630
26 李水乡, 赵健. 非球体填充的组合球模型及松弛算法. 计算物理, 2009, 26(3): 167—173
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固定床反应器在化工生产中的应用综述
常州工程职业技术学院 固定床反应器在化工生产中的应用综述 胡浩鹏精细1411 摘要：固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体用以实现的一种反应器。在现代生产中固定床反应器开始广泛应用于生产之中，主要用于化工生产、生物科研等。它与及的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相，如、二氧化硫接触氧化器、炉等。 关键词：固定床反应器、化工生产 引言：近几年以来固定床反应器在化工生产及医药研究的领域里发挥着重大的作用，本文就近年来关于固定床反应器在化工生产和医药研究上作一些论述正文：固定床反应器在化工领域应用十分广泛。基本有机化工中，乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氧制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应均在固定床反应器中进行。固定床反应器床层薄，流速低，床层内的流体轴向流动可看作是理想置换流动，因而化学反应速率较快，完成同样的生产任务所需的催化剂用量和反应器体积较小，流体停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，有利于提高化学反应的转化率和选择性；固定床中催化剂不易磨损，可在高温高压下操作。当然，固定床也存在一些缺点，如传热性能差；不能使用细粒催化剂(不能充分利用催化剂内表面)，催化剂的再生、更换均不方便。 按照催化剂固定方式的不同，Biardi[1]等将固定床反应器分为传统型与非传统型两种。传统型固定床是指催化剂以粒子形式进行堆积，主要有并流下行泡沫床和并流上行泡沫床；非传统型固定床是指将催化剂以某种形态负载或固定于某种结构填料上，通常使用Monolith催化剂和Katapak—Sandwich催化剂等。
1：并流下行泡沫床 Solvay公司认为当气、液相并流下行时，如果同时成倍地提高工作液和氢气的流量，可以从滴流床过渡到泡沫床。因为泡沫床的气液接触面积较滴流床有了明显的提高，所以气液相间的传质作用明显增强。并且，这种改进不需增加辅助设备就可方便地实现。同时，为了解决快速反应和加压条件下泡沫的淬灭、聚并，以及由此引起的床层压降波动较大、进料难以控制的问题，该专利采用惰性气体(最好是氮气)来稀释氢气，并给出了氮氢最优比。这样，不仅可以稳定床层压降，还可提高催化剂的选择性。与之相反的一种称为并流上行泡沫床。 2：并流上行泡沫床 Solvay公司采用高1．4 m、直径18 mm的反应器，使用不同粒径的球形Pd —SiO：催化剂，让气液由反应器的底部进料，并流上行，通过调整气液流量比使其达到泡沫状态。并认为并流上行泡沫床优于并流下行泡沫床，对加氢过程更为有利。其一，与并流下行泡沫床相比，并流上行泡沫床的床层压降更小，床层稳定性更好；其二，并流上行泡沫床的气液相流速低，甚至可以和液相以化学计量比进料，就町以获取较高的单程加氢效率。这种方法的缺点是催化剂周围的滞液量较大，加速了催化剂的失活。还有就是Monolith固定床反应器3：Monolith固定床反应器 Monolith固定床反应器是通过利用平行孑L道内载催化剂为固定床，从而达到提高三相接触效率和固定床时空收率，降低床层压降的目的。当氢气经分布器后形成的气泡直径通常比Monolith固定床的孔道要小。根据气液流速的变化，两相流的流型有4种，即鼓泡流、Taylor流、环状流和弹状流。EkaNobel公司建议使Monolith孔道内的流型处Taylor流，此时对反应最为有利。液相蒽醌工作液从反应器的顶部进料，氢气从反应器的底部进料与液相反应，未反应的部分经外循环去塔顶继续参与反应，使床层压降为零，反应器内的压力接近常数，这对于提高反应的选择性有莺要的作用。实验证实，与传统工艺相比，该工艺的放大效果很好，工业规模对实验室规模的放大效应远小于传统工艺。目前，该工艺已被Eka Nobel公司应用到工业生产过氧化氢中，成为Monolith固定床反应器工业化的经典范例。最后就是Katapak催化反应器
反应器类型
反应器类型 管式反应器、固定床，流化床 1、管式反应器 一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流（见流动模型）（见彩图）。管式反应器返混小，因而容积效率（单位容积生产能力）高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外，管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。 管式反应器与釜式反应器还是有差异的，至于是否可以换回还要看你的反应的工艺要求和反应过程如何，一般的说，管式反应器属于平推流反应器，釜式反应器属于全混流反应器，你的反应过程对平推流和全混流的反应有无具体的要求？管式反应器的停留时间一般要短一些，而釜式反应器的停留时间一般要长一些，从移走反应热来说，管式反应器要难一些，而釜式反应器容易一些，可以在釜外设夹套或釜内设盘管解决，你的这种情况，能否可以考虑管式加釜的混合反应进行，即釜式反应器底部出口物料通过外循环进入管式反应器再返回到釜式反应器，可以在管式反应器后设置外循环冷却器来控制温度，反应原料从管式反应器的进口或外循环泵的进口进入，反应完成后的物料从釜式反应器的上部溢流出来，这样两种反应器都用了进去。 2、固定床反应器 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。 固定床反应器有三种基本形式：①轴向绝热式固定床反应器(图1)。
旋转填充床反应器强化新技术及其工业应用-摘要-陈建峰
分子混合反应工程：旋转填充床反应器强化新技术及工业应用 陈建峰 北京化工大学化学工程学院，北京100029 化学工业是我国国民经济的重要支柱产业，但由于搅拌釜等传统反应器分子混合和传质速率低，使生产过程存在收率低、能效低等难题，导致了“高能耗、高污染、高物耗”（“三高”）等工业问题。因此，研究分子混合、传递与反应协同性理论，研制新型结构反应器及过程强化新技术，有效解决化工生产过程的反应共性问题，成为上世纪九十年代初国际学术界和工业界的研究前沿。鉴于此，我们研究提出了跨尺度分子混合反应工程理论模型，发明了强化分子混合和传递过程的新途径，发明了强化调控反应过程的旋转填充床新型反应器，并经过长达二十年的基础理论、新技术和工程化应用三个层面的系统研究，取得了被国内外同行誉为“First”（首次）的突破性工业化应用成果，构建了旋转填充床反应与分离技术平台，并在大宗化学品、碳纤维、气体分离和纳米材料制备等方面实现了大规模工业应用。本文主要介绍以下创新内容： 1 旋转填充床反应器设计方法与新结构装备技术 研究揭示了旋转填充床反应器内流体流动、混合和传质及其与反应过程耦合的行为规律，研究表明：旋转填充床反应器具有数量级强化分子混合和传质过程的优势；建立了旋转填充床反应器理论模型以及基于模型和实验相结合的反应器结构设计方法，开发了适用于液-液、气-液(-固)等不同多相流反应体系和低浓度、高粘度体系物质分离的系列新颖结构旋转填充床反应器/分离器，包括转子内缘混合式、预混式、多环多层组合式及整体结构化式等新结构高效旋转填充床反应器等，为相应过程强化新工艺开发提供了核心反应器，形成了转子直径从0.8米到3.5米的系列化工业反应器装备设计技术。 2 旋转填充床反应强化新技术 在理论研究基础上，提出了“受分子混合或传递限制”的液相快速反应过程旋转填充床反应器强化调控的新方法，通过合作，开发了缩合、磺化、聚合、氧化、碳化等多相流反应过程旋转填充床反应器强化系列新工艺技术，并成功应用于三条总计产能100万吨/年聚氨酯单体MDI、11万吨/年己内酰胺、1万吨/年纳米碳
化工生产中常见的反应器
化工生产中常见的反应器 实习论文 杨凌职业技术学院 药物工程学院 石化09班 指导老师：冯雷雷 姓名：高鹏 学号：12120931103
化工生产中常见的反应器 膜生物反应器 简介：膜-生物反应器为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥（MLSS）浓度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥龄(SRT)可延长至30天以上。可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。
工艺原理图： 优缺点：优点：操作维护更容易，成本更低原先程序复杂，池体与机械众多，人员操作技术性与复杂度高。所需人力多。由MBR 池取代后，反洗由PLC自动控制。化学洗程序单纯，各组分别实施。人员操作管理极容易。 缺点：设置成本池体多、机械多由原有沉淀池体空间运用。耗材由于机械众多，复杂，耗材数量大。也必须活化或更新活性炭。机械数量少，形式单纯。 应用:
高浓度事业废水(各类饮料工厂、酒厂、食品厂、畜牧、屠宰废水处理、皮革、纸浆厂 ) 市政民生污水中水回用 固体床反应器 简介： 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多项反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径
2～15mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。工艺原理图： 特点：固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触， 当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械损耗 控制，急剧上升，超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更
反应器结构及工作原理图解
反应器结构及工作原理图解 小7：这里给大家介绍一下常用的反应器设备，主要有以下类型：①管式反应器。由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。②釜式反应器。由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。③有固体颗粒床层的反应器。气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。 一、管式反应器 一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。
分类： 1、水平管式反应器 由无缝钢管与U形管连接而成。这种结构易于加工制造和检修。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa压力。如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。
2、立管式反应器 立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。
3、盘管式反应器 将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。但检修和清刷管道比较困难。
ae流体力学在填充床反应器中的应用进展
第２１卷第２期２００５年４月 化学反应工程与工艺 ＣｈｅｍｉｃａｌＲｅａｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ２１．Ｎｏ２ Ａｐｒ．２００５ 文章编号：ｌ∞ｌ一７６３ｌ（２００５）０２一０１４９一０９ 纩”””贻””Ｎ ｌ综述ｉ 吣≈ｆ荨苷荨｛≠亭≈ｆ亭导导≈兔；∥ 计算流体力学在填充床反应器中的应用进展 穆斌高韦贾金明程振民 （华东理工大学国家重点实验室联合化学反应工程研究所，上海２００２３７） 摘要；在使用计算流体力学（ＣＦＤ）方法模拟填充床反应器时，为了描述填充床中的气液流动情况，目前主 要运用基于体积平均法的双流体数学模型，辅以空隙率分布，填料润湿效率以及轴向扩散等经验关联式来计 算填充床中的压降、持液量、停留时间分布等重要参数。近年来填充床反应器ｃＦＤ数学模型韵几个研究重点 是动量交换系数、毛细管压力以及床层空隙率的非均匀分布性。简要介绍了涓流床、固定床、填料塔等填充床 反应器及其内部构件研究中ＣＦＤ软件模拟的应用进展情况和发展趋势。 关键词：计算流体力学；渭流床；固定床；填料塔；多相反应器；双流体模型 中圈分类号：ＴＱ０５２文献标识码：Ａ 近年来，计算流体力学（ＣＦＤ）已经成为研究多相流的一个重要工具＂２。。在一些相对简单的系统中，ＣＦＤ已经被用来模拟单相流或多相流。但是对于较复杂的系统，例如填充床，因其中曲折多孔的复杂形态以及流体与流体之间、流体与填料之间的相互作用，ＣＦＤ模拟研究的进展仍然很缓慢。另外，虽然国外学者已经开始使用ＣＦＤ研究填充床反应器，但是国内至今仍然鲜有相关的报道。 １数学模型 对于涓流床一类的填充床，填料直径一般介于１０一３～１０＿２ｍ，床层内的气液流动可以用层流模型。运用气液两相双流体模型及体积平均法可以得到气液两相流的瞬时方程组，气相和液相的动量守恒方程可以表示为： 罢（胁拙ｉ）＋“：昙（依鼬｛）一筹一＾。器±Ｂｇ＋Ｒ（１） 对于填料塔一类的填充床，填料直径一般介于１０卅～１０＿１ｍ，床层中的气液流动已趋于湍流状态，特别是没有液体时的单相气体流动不能再以层流模型处理，因此方程（１）中必须加上湍流雷诺应力项。略去了湍流雷诺时均运算中产生的高阶相关量和相对小量后，单相气流的动量守恒方程可表示为： 丢（∥）＋“ｉ丢（彬）＝筹一器±ＪＤｇ＋嘉＜一∥∥，＞（２）另外，气、液相连续性方程为： 蔷（依＾?）＋玉（＆几“ｉ）一ｏ：３） 收稿日期：２００４一０５—２８；修订日期：２００５一０１一０７ 作者简介：穆斌（１９８０一），男，硕士研究生；程振民（１９６７一），男，教授，通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｍｃｈｅｎｇ＠ｅｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
反应器类型
反应器类型 管式反应器、固定床,流化床 1、管式反应器 一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长,如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以就是单管,也可以就是多管并联;可以就是空管,如管式裂解炉,也可以就是在管内填充颗粒状催化剂的填充管,以进行多相催化反应,如列管式固定床反应器。通常,反应物流处于湍流状态时,空管的长径比大于50;填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体),物料的流动可近似地视为平推流(见流动模型)(见彩图)。管式反应器返混小,因而容积效率(单位容积生产能力)高,对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外,管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点就是,反应速率很低时所需管道过长,工业上不易实现。 管式反应器与釜式反应器还就是有差异的,至于就是否可以换回还要瞧您的反应的工艺要求与反应过程如何,一般的说,管式反应器属于平推流反应器,釜式反应器属于全混流反应器,您的反应过程对平推流与全混流的反应有无具体的要求？管式反应器的停留时间一般要短一些,而釜式反应器的停留时间一般要长一些,从移走反应热来说,管式反应器要难一些,而釜式反应器容易一些,可以在釜外设夹套或釜内设盘管解决,您的这种情况,能否可以考虑管式加釜的混合反应进行,即釜式反应器底部出口物料通过外循环进入管式反应器再返回到釜式反应器,可以在管式反应器后设置外循环冷却器来控制温度,反应原料从管式反应器的进口或外循环泵的进口进入,反应完成后的物料从釜式反应器的上部溢流出来,这样两种反应器都用了进去。 2、固定床反应器 又称填充床反应器,装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状,粒径2～15mm左右,堆积成一定高度(或厚度)的床层。床层静止不动,流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应,如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时,床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器,气、液相并流向下通过床层,呈气液固相接触。 固定床反应器有三种基本形式:①轴向绝热式固定床反应器(图1)。