精馏塔板气液两相流体力学和传质CFD模拟与新塔板的开发

论文摘要

本文以双欧拉两相流模型为基础,建立了三维精馏塔板气液两相流场和浓度场的CFD模型。模型中考虑了相含率对湍流状态的影响,使用改进的混合相k?ε湍流模型来描述气液两相湍流流动,其中相间动量和质量传递源相分别采用Krishna和Higbie的计算方法。为了证明混合相湍流模型的优越性,在直径为1.2m的工业级筛孔塔板上,模拟计算了气液两相流场,将混合相湍流模型和单相湍流模型的计算结果与实验数据进行了对比,发现混合相湍流CFD模型计算结果与实验结果能够更好的吻合。为了进一步考察所建模型的适用性,本文在0.5×0.5m的矩形筛孔塔板上,模拟了包括漏液、正常和雾沫夹带等全范围操作状态下气液两相流场,计算结果和本文的实验数据吻合较好,表明了所建模型不受操作状态的限制,可以模拟全范围操作状态下塔板气液两相流场。另外,本文还对F1浮阀塔板气液两相流场进行了CFD模拟,模型中的平均体积相含率由本文实验进行关联。模拟得到的板上清液层高度与实验结果吻合较好,证明了模型对不同形式塔板的两相流场具有很好的适用性。利用本文提出的流动与组分传递相耦合的气液两相CFD模型,对直径1.2m工业级筛孔塔板气液两相浓度场进行了模拟计算,研究了塔板上气液两相浓度场、点效率和传质量的分布规律,发现泡沫层和气锥是传质发生的主要区域,传质面积和板上液流状况是影响塔板效率的主要因素。为了改善传统塔板上液体流动状况,以提高塔板传质效率,本文采用拟单相流CFD模型,模拟改进塔板结构来改善塔板上液体的不均匀流动状态。模拟是在直径为2.44m的筛孔塔板上进行的。模拟计算结果表明,增设斜度系数为16.5%的梯形入口堰,或者10块0.2m长的导流板,就可以基本消除塔板上回流区和滞流区,从而提高塔板的传质效率。针对传统的筛板不适合大液气比操作的状况,本文在CFD模拟的基础上,提出了一种新型的气液并流塔板,并进行了流体力学性能的初步测量。实验结果表明,在大液气比条件下,该种塔板具有压降小、通量大、雾沫夹带量小等优良的流体力学性能。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 精馏塔板流体力学性能研究状况
• 1.1.1 气液流态
• 1.1.2 塔板流体力学性能
• 1.1.3 塔板传质性能
• 1.2 精馏塔板发展状况
• 1.2.1 筛孔型新型塔板
• 1.2.2 浮阀型新型塔板
• 1.2.3 立体喷射新型塔板
• 1.3 计算流体力学（CFD）及其在在精馏塔研究中的应用
• 1.3.1 计算流体力学（CFD）最新进展
• 1.3.2 CFD 在精馏塔板研究中的应用
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 精馏塔板气液两相流场及浓度场数学模型的建立
• 2.1 精馏塔板气液两相流场的数学模型
• 2.1.1 双欧拉气液两相动量传递模型
• 2.1.2 气液两相动量传递源项
• 2.2 湍流模型的确定
• 2.2.1 雷诺应力模式
• 2.2.2 涡粘性模式
• 2.3 精馏塔板气液两相浓度场的数学模型
• 2.3.1 组分传递模型
• 2.3.2 组分传递源项
• 2.4 近壁区处理方法
• 2.5 小结
• 第三章 精馏塔板气液两相流场的CFD 模拟与实验验证
• 3.1 工业级筛孔塔板气液两相流场的CFD 模拟
• 3.1.1 气液两相动量传递源项的确定
• 3.1.2 边界条件及网格划分
• 3.1.3 模型验证
• 3.1.4 模拟结果与讨论
• 3.2 全工况矩形筛孔塔板两相流场的CFD 模拟与实验验证
• 3.2.1 气液两相动量传递源项的确定
• 3.2.2 边界条件及网格划分
• 3.2.3 全操作范围下筛板两相流CFD 模拟与验证
• 3.3 全开F1 浮阀塔板气液两相流场的CFD 模拟
• 3.3.1 全开F1 浮阀塔板清液层高度的实验测量与关联
• 3.3.2 气液两相动量传递源项的确定
• 3.3.3 边界条件及网格划分
• 3.3.4 模型验证
• 3.3.5 模拟结果与讨论
• 3.4 小结
• 第四章 精馏塔板气液两相组分传递的CFD 模拟
• 4.1 组分传递的CFD 模型的建立
• 4.1.1 组分传递源项的确定
• 4.1.2 边界条件及网格划分
• 4.2 模型验证
• 4.3 模拟结果和讨论
• 4.3.1 塔板上气液相浓度分布
• 4.3.2 塔板效率的预测
• 4.4 小结
• 第五章 CFD 在优化精馏塔板流场中的应用
• 5.1 数学模型
• 5.1.1 拟单相流模型基本方程组
• 5.1.2 边界条件及网格划分
• 5.2 模拟结果与讨论
• 5.2.1 液流强度对塔板流场的影响
• 5.2.2 堰径比对塔板流场的影响
• 5.3 塔板液体流动状况改进的结构措施
• 5.3.1 设置梯形入口堰
• 5.3.2 设置导流板
• 5.4 小结
• 第六章 气液并流塔板的流体力学研究
• 6.1 气液并流塔板介绍
• 6.2 气液并流塔板的流体力学实验
• 6.2.1 实验装置及实验方法
• 6.2.2 实验结果与讨论
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢