分散颗粒增强气液传质机理及模型研究

论文摘要

分散颗粒增强气液传质是化工过程的强化手段之一,本文对分散颗粒（包括分散固体颗粒与分散液滴）增强气液传质的机理及模型进行研究。提出分散颗粒增强物理吸收的机理包括传输作用和流体力学作用,并建立了三维非稳态非均相非规则分布多粒子双机理模型（TIHIND Model）。在TIHIND模型前,分别建立了空白溶液模型和一维、二维或三维,单颗粒或多颗粒,点颗粒或真实颗粒的传质模型。通过对空白溶液模拟得出合理的计算渗透膜厚度为2πDτ,并重新定义增强因子。单颗粒或多颗粒模型得到的各参数对传质增强的影响与文献中模型预测趋势一致。考虑分散颗粒在计算微元内具有随机分布,可进一步得出:不同颗粒位置分布可得到不同的总增强因子;不同位置处的分散颗粒对总增强因子的贡献率不同,可以用颗粒屏蔽系数来研究多颗粒体系中各分散颗粒间的关系。相比较一维和二维模型,三维模型中颗粒的屏蔽系数最小,因此在三维模型中应该考虑大量颗粒对总增强因子的贡献。TIHIND模型可以考察计算单元中大量颗粒对增强因子的贡献,模拟结果表明:1)颗粒具有不同随机函数种子时,计算出的增强因子平均相对误差约为5%;2)分散颗粒浓度较高时,会使基本增强因子E0 < 1;3)分配系数低的颗粒（ m < 10）同样可能具有较高的增强因子;4)接触时间和扩散系数对增强因子具有非单调的影响趋势;5)增强因子随分散颗粒浓度增加可能存在峰值;6)可能存在直接的气体-分散液滴接触;7)初始待传质组分浓度影响分散颗粒的传质增强作用。应用文献数据对TIHIND模型进行验证表明,预测的增强因子与实验观测值具有很好的一致性。TIHIND模型还具有如下优点:1)对气-液-固和气-液-液体系均适用;2)可以合理解释固-液体系中增强因子随分散固体颗粒浓度增加而降低,和液-液体系中增强因子随分散液滴浓度增加而升高的现象;3)可以预测实验中的最小增强因子以及增强因子随实验时间的变化。应用与TIHIND模型同样的分散颗粒增强气液传质机理,并进行适当的简化,建立了通用增强因子模型（GEFM）。GEFM同样既适用于分散固体颗粒,又适用于分散液滴体系,且相对于TIHIND模型,GEFM运算简洁,能够在简单实验数据的基础上,快速预测出分散颗粒体系的气液传质增强因子。通过异丁烯与氢气在水中的吸收实验初步验证了上述的机理与模型。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 化工过程强化技术
• 1.3 分散细颗粒对气液传质的影响
• 1.3.1 惰性固体细颗粒对传质系数的影响
• 1.3.2 惰性固体细颗粒对界面积及气含率的影响
• 1.3.3 活性颗粒对气液传质的增强作用
• 1.4 分散颗粒增强气液传质机理
• 1.4.1 传输作用
• 1.4.2 流体力学作用
• 1.4.3 阻止气泡聚并作用
• 1.4.4 边界层内反应作用
• 1.4.5 小结
• 1.5 模型研究进展
• 1.5.1 传输机理模型
• 1.5.2 其他机理模型
• 1.5.3 经验模型
• 1.6 小结
• 1.7 本文工作
• 第二章 细颗粒增强微溶气体吸收微观机理模型
• 2.1 引言
• 2.2 细颗粒增强气液传质机理
• 2.2.1 传输作用
• 2.2.2 流体力学作用
• 2.2.3 小结
• 2.3 存在分散细颗粒时的传质方程
• 2.3.1 模型假设
• 2.3.2 模型方程
• 2.4 模型方程的求解方法
• 2.4.1 模型方程无因次化
• 2.4.2 模型方程离散化
• 2.5 增强因子定义
• 2.6 计算模拟用基本输入数据
• 2.7 空白溶液模拟
• 2.8 点颗粒模拟
• 2.8.1 一维点颗粒模拟
• 2.8.2 二维点颗粒模拟
• 2.9 三维多个真实颗粒模拟
• 2.9.1 三维真实颗粒模拟
• 2.9.2 三维模型中颗粒的屏蔽作用
• 2.9.3 其他参数对增强因子的影响
• 2.10 实际体系与前述模型的区别
• 2.11 实际分散体系增强因子计算
• 2.11.1 三维大量真实颗粒模拟
• 2.11.2 用于实际计算的修正
• 2.12 结论
• 第三章 细颗粒增强微溶气体吸收宏观应用模型
• 3.1 增强机理分析
• 3.1.1 过渡相扩散系数
• 3.1.2 有效扩散系数
• 3.1.3 宏观模型补充机理
• 3.2 宏观应用增强因子模型
• 3.2.1 传质系数模型
• 3.2.2 通用增强因子模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 有效扩散系数
• 3.3.2 传输作用项
• 3.3.3 流体力学作用项
• 3.3.4 综合考虑两作用
• 3.4 实验验证
• 3.5 结论
• 第四章 细颗粒增强微溶气体吸收实验研究
• 4.1 实验物系选择
• 4.2 实验装置及实验步骤
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验条件及实验步骤
• 4.3 实验数据处理
• 4.4 异丁烯及氢气在水中的溶解度参数
• 4.5 实验结果与讨论
• 4.5.1 活性炭-水浆料吸收异丁烯
• 4.5.2 活性炭-水浆料吸收氢气
• 4.5.3 TIHIND 模型与GEFM 的理论预测
• 4.6 结论
• 第五章 结论与建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录 I ——符号说明
• 致谢