旋转带蒸馏CFD模拟和塔中液体流动观察

论文摘要

旋转带蒸馏是上世纪兴起的用于分离沸点很接近或具有热敏性的液体混合物的一种新型分离技术。高速转动的旋转带对塔内上升的蒸汽和下降的冷凝液不断作用,使两相之间紧密接触,充分进行热量和质量传递,从而获得极佳的分离效果。由于其特殊的结构和工作原理,可在高真空度下操作并具有很高的理论塔板数,同时具有持液量低,压降小等特点。目前,由于研究旋转带蒸馏的文献较少,对旋转带蒸馏装置进行基础研究,将对尽快掌握这项分离技术起到积极作用。利用计算流体力学软件FLUENT6.2对旋转带蒸馏塔的流体力学性能进行模拟。通过建立2D旋转带蒸馏塔物理模型,研究了模型中流场的液相分布,各向速度分布,湍动强度分布及相对压力变化情况,并通过实验验证了模拟结果的有效性。基于三个主要假设,对三维计算流域进行简化,在恒温恒压条件下,对旋转带蒸馏的湍动模型进行研究。在旋转坐标系下进行模拟计算,选用Standard k-ε,Realizable k-ε和RNG k-ε三种湍动模型进行对比研究,计算中采用了三步法进行迭代计算,通过比较分析和实验验证,发现Standard k-ε湍动模型在模拟强旋流和弯曲壁面流时失真比较严重,但是对于受转动影响比较小的塔内流场区域仍然可以有效模拟;Realizable k-ε模型在模拟轴向流和迭代精度方面不如RNG k-ε有效,因此在对旋转带蒸馏的湍动流场进行研究时,应用RNG k-ε湍动方程可以得到较满意的结果。通过旋转带蒸馏的冷模模型试验研究,观察了不同转速,不同进料速度下,液相流场的分布和流动形态。实验发现旋转带蒸馏塔内存在四种流型:沟流,液膜流,波状液膜流和湍流流动,通过建立联合雷诺数与流动形态关系的数学模型,得到了四种流型转变的临界雷诺数。通过观察不同工况下旋转带蒸馏塔中液体的分布情况,发现气相速度对液相的分布和流动形态影响都很小,而且在实际操作工况下,旋转带蒸馏塔中射流部分所占比例很小,不到5%。因此在建立传质模型时,仅考虑塔壁液膜的传质,对射流部分忽略。最后通过比较填料塔和湿壁塔中传质模型规律,并根据旋转带蒸馏装置的传质特点,建立了旋转带蒸馏装置的传质数学模型,为以后的传质研究提供一个参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 旋转带蒸馏的基本原理和特点
• 1.3 旋转带蒸馏装置的设计专利
• 1.4 旋转带蒸馏技术的研究和应用
• 1.5 课题分析及其意义
• 第二章 2D 旋转带蒸馏塔的CFD 模拟
• 2.1 引言
• 2.2 CFD 模拟研究
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 网格划分策略
• 2.2.3 条件设置
• 2.2.4 数学模型
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 CFD 模拟旋转带蒸馏塔内部流场变化
• 2.3.2 实验验证旋转带蒸馏塔内部流场变化
• 2.3.3 旋转带蒸馏塔内部速度和压力场模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 3D 旋转带蒸馏塔的CFD 模拟
• 3.1 引言
• 3.2 CFD 模拟研究
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 网格划分策略
• 3.2.3 条件设置
• 3.2.4 数值格式
• 3.2.5 湍动方程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同湍动模型下监测点速度变化比较
• 3.3.2 不同湍动模型下监测面相对压力变化比较
• 3.3.3 不同湍动模型下塔壁液相分布和收敛性比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 旋转带蒸馏塔内液体流动观察和传质研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 塔壁上液体的流动形态研究
• 4.3.2 不同工况下旋转带蒸馏塔内液体流动观察
• 4.3.3 气体对液体流动的影响
• 4.3.4 旋转带蒸馏传质模型建立
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢