二氧化碳接触池气液两相流场的CFD模拟及优化研究

论文摘要

本课题针对再矿化工艺中的二氧化碳接触池气液两相流场及曝气方式进行研究,具体研究内容如下:(1)运用CFD模拟软件对不同构造二氧化碳接触池进行示踪模拟;(2)以CFD模拟软件对不同构造二氧化碳接触池进行气液两相模拟;(3)通过示踪实验验证二氧化碳接触池停留时间分布函数;(4)通过两相实验对二氧化碳溶解进行研究。本研究以CFD软件为模拟软件,针对二氧化碳接触池不同池型进行了示踪模拟及气液两相模拟,通过模拟得出:(1)二氧化碳接触池长宽比宜控制在1≤L/W≤2。综合考虑水流流态和经济性认为采用3个反应室是比较合理和科学的。3个反应室比例为2:5:5时水力状态比较好。(2)气水比较小时,池内气体体积分数较小,气体分布很不均匀。随着气水比的增大,气体分布也越来越均匀,但气水比太大会造成气液两相的分离,不利于气体溶解。接触池内的气水比范围控制在0.04—0.08之间是比较合理的。示踪实验得到分别投加氯化钠0.2mol、0.4mol时的停留时间分布函数曲线,并与模拟得到的停留时间分布函数曲线进行比较,结果比较接近,说明模拟二氧化碳接触池示踪实验评估二氧化碳溶解效率和效果是可行的。对不同曝气量下的曝气方式进行优化研究,通过两相实验得出如下结论:(1)随着气水比的增大,溶解量也相应增大,但曝气效率却不断降低。(2)二氧化碳接触池内曝气点越多,二氧化碳与水的接触面积越大,每个曝气点处的气体分压也越小,在水中溶解的气体体积也就越多。(3)在接触池内3个曝气室同时曝气时二氧化碳的溶解量及曝气效率均要高于任意两个曝气室曝气及1个曝气室单独曝气。曝气室1对二氧化碳溶解的影响要大于曝气室2及曝气室3。(4)接触池进行曝气时,应优先增大曝气室1的曝气量,再增大曝气室2,最后考虑增大曝气室3的曝气量。曝气室1的曝气量不是越大越好,我们认为当曝气室1的曝气量占曝气总量百分比为40%<Q气<60%曝气效率比较高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 水质化学稳定性的评价指标
• 1.2.1 Langelier 饱和指数
• 1.2.2 Ryznar 稳定指数
• 1.2.3 碳酸钙沉淀势CCPP
• 1.2.4 拉森比率LR
• 1.2.5 Riddick 腐蚀指数RCI
• 1.3 水质化学稳定性控制方法
• 1.3.1 调节pH 和碱度
• 1.3.2 投加缓蚀剂
• 2'>1.3.3 曝气去除C0₂
• 1.3.4 再矿化工艺
• 1.4 CFD 在给水排水领域中的应用
• 1.5 本课题研究内容及研究方法
• 第2章 基于CFD 的二氧化碳接触池池型优化
• 2.1 CFD 及其求解过程
• 2.1.1 CFD 概述
• 2.1.2 数学模型
• 2.1.3 网格类型
• 2.1.4 边界条件
• 2.2 模拟结果及分析
• 2.2.1 不同长宽高比例的模拟
• 2.2.2 不同反应室个数的模拟
• 2.2.3 反应室容积不同比例的模拟
• 2.3 本章小结
• 第3章 二氧化碳接触池示踪实验
• 3.1 反应器模型
• 3.2 停留时间分布函数
• 3.3 停留时间分布测定方法
• 3.3.1 阶跃法
• 3.3.2 脉冲法
• 3.4 示踪实验方法
• 3.4.1 示踪实验模型
• 3.4.2 示踪剂选择
• 3.4.3 取样频率和质量控制
• 3.4.4 电导率测定原理
• 3.4.5 示踪实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 二氧化碳接触池气液两相流场模拟
• 4.1 研究目的及方案
• 4.1.1 研究目的
• 4.1.2 研究方案
• 4.2 求解过程
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 多相流计算模型
• 4.2.3 边界条件的设定
• 4.2.4 模拟结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 二氧化碳接触池曝气方式研究
• 5.1 理论概述
• 5.1.1 水-碳酸盐系统的平衡
• 5.1.2 双膜理论
• 5.1.3 亨利定律
• 5.1.4 总传质速率方程
• 5.2 试验装置及检测项目
• 5.2.1 试验装置
• 5.2.2 检测项目
• 5.3 曝气方式优化研究
• 5.3.1 不同曝气头曝气下二氧化碳的溶解研究
• 5.3.2 不同曝气室曝气下二氧化碳的溶解研究
• 5.3.3 曝气室不同曝气比下二氧化碳的溶解研究
• 5.3.4 曝气室1 不同曝气量下二氧化碳溶解的研究
• 5.4 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 致谢