立体传质塔板罩内气液两相流动及传质过程的研究

论文摘要

立体传质塔板（CTST）以梯形立体结构的帽罩为单元,将气液两相流动和传质从塔板上延伸至大部分塔板空间。罩内的气液流动是造成这种延伸的关键所在,同时又是促进传质的主要区域。对罩内气液流动和传质的研究既是优化帽罩结构的基础,又为预测整个塔板的传质效率提供理论依据。本文在直径600mm的工业规模冷模实验塔中,研究了喷射板倾斜角度（α）和塔板伸入罩内长度（Wb）对罩内气液两相流体力学参数的影响,获得了较优的帽罩结构参数为α=8o、Wb=10mm。对帽罩进行了传质实验研究,得到了罩内沿高度方向的浓度分布,以及提升段和喷射段的传质速率和传质效率。提出了采用不同模型对帽罩内气液两相流场分段模拟的方法。在充分考虑表面张力和气液相互作用力对两相流动影响的情况下,用VOF方法建立了能够较好追踪两相界面的提升段两相流模型。采用颗粒轨道模型模拟了喷射段的气液两相流动,模型中考虑了高速气体对液滴施加的曳力、液滴所受重力和虚拟质量力的影响,用随机轨道模型计算了液滴的湍流扩散。根据模拟结果,对提升段重点讨论了不同操作条件及帽罩结构对液膜流动的影响,得到了液膜流动的变化规律。在喷射段重点讨论了液滴粒度的分布规律,其结果与R-R分布函数符合较好,获得了液滴粒度的分布参数和特征尺寸。分别建立了提升段和喷射段的传质模型,并对罩内传质进行了计算。在提升段把夹带液滴的核心气流看作等效流体,利用两相流模型对其进行了浓度分布和传质效率计算。在喷射段,以特征液滴的传质来处理复杂的传质过程,对喷射段浓度分布和传质效率进行了初步预测。模型计算结果与实验数据的整体趋势一致。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 塔板技术的发展
• 1.2 塔板上的气液两相流动
• 1.2.1 以气泡为表征的两相流动
• 1.2.2 以液滴为表征的两相流动
• 1.3 塔板两相流动的数值模拟
• 1.3.1 拟单相流模型
• 1.3.2 双流体模型
• 1.3.3 自由表面的数值模拟方法
• 1.4 塔板上的传质
• 1.4.1 板效率模型
• 1.4.2 返混模型
• 1.5 立体传质塔板的研究现状
• 1.5.1 立体传质塔板的结构与性能特点
• 1.5.2 立体传质塔板流体力学性能研究
• 1.5.3 立体喷射型塔板传质性能的研究
• 1.6 本文工作
• 第二章 立体传质塔板罩内流体流动与传质的实验研究
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 流程及设备
• 2.1.2 实验塔板
• 2.2 罩内流体力学参数的测量方法
• 2.2.1 流速的测量
• 2.2.2 压力的测量
• 2.2.3 液体提升量的测量
• 2.3 流体力学参数的实验结果分析与讨论
• 2.3.1 帽罩喷射板倾角α与塔板伸入罩内的长度Wb
• 2.3.2 气体单相流操作时的速度分布和压力分布
• 2.3.3 气液两相流操作时的实验结果分析
• 2.3.4 流体力学实验结果的讨论
• 2.4 立体传质塔板帽罩单元传质的实验研究
• 2.4.1 浓度分布
• 2.4.2 帽罩不同区域传质速率
• 2.4.3 帽罩不同区域的传质效率
• b不同时帽罩单元的传质效率'>2.4.4 α与W_b不同时帽罩单元的传质效率
• 2.5 小结
• 第三章 立体传质塔板罩内气液两相流场CFD模型的建立
• 3.1 罩内两相流动分析
• 3.2 罩内气液两相动量传递数学模型
• 3.3 罩内提升段气液两相流场数学模型
• 3.3.1 VOF模型
• 3.3.2 源项的确定
• 3.3.3 湍流模型的选择
• 3.4 罩内喷射段气液两相流场数学模型
• 3.4.1 颗粒轨道模型
• 3.5 小结
• 第四章 罩内气液两相流场的CFD模拟
• 4.1 提升段两相流场的模拟计算
• 4.1.1 边界条件
• 4.1.2 网格划分
• 4.1.3 模型验证
• 4.1.4 模拟计算结果分析
• 4.2 喷射段气液两相流场的模拟计算
• 4.2.1 边界条件
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 模型验证
• 4.2.4 模拟结果分析
• 4.3 小结
• 第五章 立体传质塔板罩内气液两相传质模型
• 5.1 提升段的传质
• 5.1.1 包含组分传递的提升段气液两相流动方程
• 5.1.2 提升段微元的相间传质
• 5.1.3 提升段流动与传质的计算
• 5.2 喷射段的传质
• 5.2.1 单个液滴的传质
• 5.2.2 液滴群的传质
• 5.2.3 气雾两相流的传质系数
• 5.2.4 喷射段传质的计算
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢