论文题目: 化工计算传质学的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工程
作者: 孙志民
导师: 余国琮
关键词: 计算传质学,模型,湍流传质扩散系数,分布式源项,筛板塔,浓度场,激光多普勒测速仪,气液错流
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文首先系统概述了计算流体力学、计算传热学和计算传质学的发展历程、相应湍流输运方程的封闭方法以及各自在化工中的应用情况。然后详细推导了浓度方差c2和浓度方差耗散率εc的精确输运方程,并对其进行了适当的简化和模型常数的确定,使其更适于工程传质计算,随后提出了计算传质学的方程体系。本文在对文献中已有动量传递源项的分析基础上,同时借鉴圆射流的研究成果,首次提出了分布式动量传递源项,其特点是不仅反映气液之间的相互作用,而且同时考虑了筛孔分布对动量传递的影响。使用这一模型对1.2m直径的筛板塔进行了速度场模拟,其结果与文献中的实验值和使用均匀式源项的计算结果进行了比较,符合得较好,而且在塔板中心线和塔壁附近明显优于使用均匀式源项的计算结果,由此证明了分布式源项的有效性和优越性。另外通过对不同筛孔分布方式的塔板进行模拟和比较,进一步论证了分布式源项的优越性。使用本文提出的计算传质学模型分别对1.2m直径的工业规模筛板塔和0.429m直径的中试规模筛板塔在不同操作条件下的传质情况进行了数值模拟,得到了速度场、浓度场和湍流传质扩散系数的分布。对于1.2m直径的筛板塔,其各板的出口浓度、单板效率、全塔效率以及湍流传质扩散系数的计算结果分别与文献中的实验值进行了比较,二者符合得较好。对于0.429m直径的筛板塔,将其不同操作条件下的塔底浓度和全塔效率与实验值进行了比较,二者符合得较好。这些比较结果证明了本文所提出的计算传质学模型对不同规模筛板塔模拟的有效性。另外通过对具有不同筛孔分布方式、不同形式进口堰和不同高度出口堰的塔板进行了传质模拟,其结果显示了塔板结构对塔板浓度场的影响,并且进一步证明了计算传质学较经验设计方法在体现塔板结构对传质影响上的优越性。本文通过测量被纯氧饱和的水在塔板上发生氧解吸时液相中氧的浓度,首次得到了伴有传质的浓度场,并发现在速度返流区会出现浓度漩涡。并且使用本文提出的计算传质学模型对塔板浓度场进行了数值模拟,计算值与实验值符合得较好,进一步证明了所用模型的正确性。本文通过使用激光多普勒测速仪对矩形塔板上液相单相流和气液错流情况下的局部液相流场进行测量,考察了气液错流时气相对其周围局部液相流场的影响。这些实验结果有助于验证所提出的计算传质学模型。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
前言
第一章 文献综述
1.1 计算流体力学及其在化工中的应用
1.1.1 计算流体力学的定义
1.1.2 湍流粘度系数的封闭方法
1.1.3 计算流体力学在精馏塔板上的应用
1.2 计算传热学
1.2.1 计算传热学的定义及其在化工中的应用
1.2.2 湍流传热系数的封闭方法
1.3 计算传质学
1.3.1 计算传质学的定义
1.3.2 湍流传质系数的封闭方法
1.3.3 计算传质学在精馏塔板上的应用
1.4 小结
第二章 c~2|--ε_c模式及计算传质学方程体系
2.1 问题的提出
2.2 c~2|-及ε_c的精确方程
2.2.1 c~2|-的精确方程
2.2.2 ε_c的精确方程
2.3 c~2|-及ε_c精确方程的模型化
2.3.1 封闭假设
2.3.2 c~2|-方程的模型化
2.3.3 ε_c方程的模型化
2.3.4 模型常数的确定
2.3.5 模型方程的进一步简化
2.4 计算传质学的方程体系
2.5 小结
第三章 塔板速度场的模拟
3.1 动量传递方程组
3.2 动量传递边界条件
3.2.1 塔板坐标系
3.2.2 进、出口及壁面边界条件
3.2.3 近壁区处理方法
3.3 动量源项及速度场的模拟
3.3.1 动量源项的确定
3.3.2 速度场的验证
3.4 小结
第四章 精馏塔浓度场的模拟
4.1 质量传递方程体系及边界条件
4.1.1 质量传递方程体系
4.1.2 质量传递边界条件
4.2 传质源项的确定
4.3 1.2m精馏塔浓度场的模拟
4.3.1 1.2m精馏塔结构参数及物性数据
4.3.2 1.2m直径精馏塔浓度场模拟结果
4.3.3 湍流传质系数的验证
4.3.4 塔板上浓度的分布
4.3.5 塔板上湍流传质扩散系数的分布
4.3.6 塔板效率的预测
4.4 0.429m直径精馏塔浓度场模拟结果
4.4.1 0.429m精馏塔结构参数及物性数据
4.4.2 0.429m直径精馏塔浓度场模拟结果
4.5 塔板结构对浓度场的影响
4.5.1 筛孔分布方式对浓度场的影响
4.5.2 进口堰对浓度场的影响
4.5.3 出口堰对浓度场的影响
4.6 小结
第五章 塔板浓度场测量
5.1 浓度测量方法简介
5.1.1 电化学法
5.1.2 光学方法
5.1.3 色谱法
5.1.4 浓度场测量方法的选择
5.2 实验方案
5.2.1 实验设备及流程
5.2.2 实验步骤
5.3 实验结果与讨论
5.3.1 浓度场分布
5.3.2 距塔板不同高度的浓度场比较
5.4 塔板浓度场的模拟
5.4.1 浓度场分布
5.4.2 塔板出口浓度比较
5.4.3 湍流传质扩散系数分布
5.5 小结
第六章 气液错流局部液相速度分布测量
6.1 速度测量方法简介
6.2 激光多普勒测速系统
6.2.1 激光多普勒测速原理
6.2.2 激光多普勒测速装置及各部件工作原理
6.3 实验方案
6.3.1 实验装置及流程
6.3.2 测量方案
6.3.3 实验步骤
6.4 实验结果与讨论
6.4.1 测量结果的坐标转换
6.4.2 液相单相流速度分布
6.4.3 气相错流对液相y方向速度的影响
6.4.4 气相错流对液相x方向速度的影响
6.4.5 气相错流对液相z方向速度的影响
6.4.6 堰高对液相流场的影响
6.5 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
发布时间: 2007-07-10
参考文献
- [1].精馏系统内部能量集成的实验与模拟分析研究[D]. 许良华.天津大学2013
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