高压下规整填料塔的计算传递和传质性能

论文摘要

为加强对高压下规整填料塔的传质机理的研究,在内径为150mm的填料塔内,分别测试了0.70、1.10、1.30、1.50、1.70和1.90MPa（绝压）六个操作压力下Mellapak 350Y型金属板波纹规整填料的传质性能,实验为全回流,测试物系为正丁烷/异丁烷混合物,液相的负荷范围为10.4567.14m3/（m2·h）。实验测得填料的等板高度的数值在0.150.61m之间。分析实验数据发现:在0.701.70MPa的操作压力范围内,当压力一定时,随着Fv因子的增加,填料的效率增大;而在1.90MPa时,填料的效率在液泛前的一段操作范围内发生恶化。建立了三维CFD模型,对规整填料内液相单相流流场进行了模拟。为了验证模拟计算的结果,利用三维LDV技术对规整填料内液相单相流流场进行了测量。实验结果表明,本文提出的模型能够较好地模拟流体的流动趋势。这说明CFD模型能够较好的模拟规整填料内的单相流动行为。在此基础上,对加压下内径为150mm的填料塔内气相单相流的返混行为进行了模拟,操作压力范围为0.301.80MPa,并将其结果与实验值进行了对比。计算结果表明,模型预测的气相返混系数与实验测量值的趋势一致,但在数值上偏小。在上述研究的基础上,采用VOF法初步建立了加压下规整填料塔内气、液两相逆流流动模型,模拟物系和条件均与高压精馏实验一致。模型中考虑了影响液膜流动的两个重要作用力:表面张力和气、液相间作用力。根据模型计算了不同操作压力以及不同气相Fv因子下填料内气、液相的流动过程,并根据结果讨论了操作压力和气相Fv因子对液相流动的影响,同时还根据计算结果估算了填料内的持液量和有效润湿比表面积。在流体力学模型的基础上,对加压下规整填料内气、液相间的传质过程进行了模拟,模型中采用（-|c2）-εc模型取代常用的施密特类似律法来计算湍流扩散系数。根据计算得到的浓度分布计算了规整填料的传质效率,并与实验数据进行了对比。对比结果表明本文建立的模型计算得到的HETP值与实验值吻合较好,其平均相对误差为25%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 经验/半经验半理论模型
• 1.2 液膜流动模型
• 1.3 CFD 模型
• 1.4 规整填料塔流体力学模型和传质模型的总结
• 第二章 高压下规整填料塔传质性能的实验研究
• 2.1 实验装置和实验方法
• 2.1.1 实验流程
• 2.1.2 实验方案
• 2.1.3 实验步骤
• 2.1.4 样品分析方法
• 2.2 数据处理方法
• 2.2.1 填料层压力降
• 2.2.2 持液量
• 2.2.3 规整填料的相界面积
• 2.2.4 规整填料的传质效率
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 气、液相表观速度
• 2.3.2 压力降
• 2.3.3 持液量
• 2.3.4 气、液相界面积
• 2.3.5 规整填料的传质效率
• 2.4 小结
• 第三章 规整填料内单相流流场的LDV 测量和CFD 模拟
• 3.1 规整填料内单相流流场的LDV 测量实验
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 规整填料和测试液体
• 3.1.3 液相循环系统
• 3.1.4 数据采集系统
• 3.1.5 实验方案和实验步骤
• 3.1.5.1 测量区域的选择
• 3.1.5.2 坐标转换
• 3.1.5.3 实验操作步骤
• 3.2 规整填料内流场的CFD 模拟
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 近壁面区域的处理
• 3.2.4 网格数的优化
• 3.3 CFD 模拟结果与LDV 测量结果的比较
• 3.3.1 水平截面的流动方式
• 3.3.2 速度分布
• 3.3.3 湍动能
• 3.4 结论
• 第四章 加压下规整填料内气相单相流返混行为的CFD 模拟
• 4.1 加压下规整填料内气相流动返混行为的CFD 模拟
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 控制模型
• 4.1.3 初始条件
• 4.1.4 边界条件
• 4.1.5 数值计算方法
• 4.2 理论模型和参数估计方法
• 4.3 实验数据源
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 实验方案
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 数值计算实验的RTD 曲线与拟合RTD 曲线的比较
• 4.4.2 有效速度
• 4.4.3 气相返混系数
• 4.5 小结
• 第五章 加压下规整填料内气液两相流动行为的CFD 模拟
• 5.1 物理模型的建立
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 控制方程
• 5.2.2 动量源项的确定
• 5.2.2.1 表面张力动量源项
• 5.2.2.2 气、液相间作用力动量源项
• 5.2.3 初始条件
• 5.2.4 边界条件
• 5.2.4.1 进口边界条件
• 5.2.4.2 出口边界条件
• 5.2.4.3 壁面边界条件
• 5.2.5 网格划分与数值计算方法
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.3.1 液相在填料表面流动的流动过程
• 5.3.2 相同操作压力下气相F v 因子对填料表面液相流动的影响
• 5.3.3 操作压力对填料表面液相流动的影响
• 5.3.4 规整填料的持液量的估算
• 5.3.5 规整填料表面润湿比面积的估算
• 5.4 小结
• 第六章 加压下规整填料内气、液两相传质行为的CFD 模拟
• 6.1 三维传质计算模型
• 6.1.1 物理模型
• 6.1.2 数学模型
• 6.1.3 气-液相间传质源项
• 6.1.4 湍流扩散系数
• 6.2 初始条件
• 6.3 边界条件
• 6.3.1 进口边界条件
• 6.3.2 出口边界条件
• 6.3.3 壁面边界条件
• 6.4 数值计算方法
• 6.5 结果与讨论
• 6.6 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