规整填料内的气体流动和传质研究

论文摘要

近十几年来,精馏的发展虽然已经比较成熟,但是仍然存在许多问题。例如计算全塔效率和流体力学性能的经验和半经验公式在精馏计算中占有主导地位,然而这些公式却存在15%-20%左右的误差,并且这些误差是由于采用宏观尺度上平均传质的研究方法,对精馏操作中最重要的传质单元——规整填料研究而产生的。为了改变现状,本文尝试采用一种新的方法,即研究规整填料在微观尺度上的点传质。本文采用显色化学反应的流体可视化方法研究规整填料表面上的点传质效果,并且首次用高精度彩色扫描仪进行后处理,把颜色值转化为数字值。然后通过风洞的标定特性来建立数字值和点传质量之间的关系,进而得到填料表面的点传质系数。在不同雷诺数下,对规整填料点传质效果进行了研究。实验结果表明,规整填料内部的传质分布是不均匀的,并且在任一传质单元中存在着三个传质高峰。由于传质的不均匀分布,提出了在两块填料中间加入隔板的方案,并对其进行了传质研究。实验表明,加入隔板之后,传质的均匀性得到了改善,填料的进出口压降也大大的降低了。但是隔板会减少液体对填料表面的润湿,从而降低气体两相的传质面积。基于这点的分析,在隔板上开出菱形孔,且顶点方向与气体流动方向一致。在本篇论文中,只从气体方面分析,给出了平均传质系数与不同开孔率的关系图,给以后液体的分析提供一个基础。本文还利用FloWizard模拟气体在填料中的具体流动情况,并从微观模拟入手,找出造成传质分布不均匀的真正原因。最后,利用Fluent对规整填料的传质情况进行了模拟计算,对比计算结果和实验结果,验证了CFD计算结果的正确性。这样为研究其他填料提供了一个简便的方法,为开发新的填料提供了一个更好的平台工具和方法。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 规整填料的发展史
• 1.2 以CFD 技术为基础的传质模型
• 1.3 可视化技术概述
• 1.3.1 流体可视化
• 1.3.2 传质和传热的可视化技术
• 1.3.3 CFD可视化方法
• 1.4 气体在规整填料间的流动分布
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 规整填料表面点传质的实验研究
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验装置
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 实验试剂
• 2.3.2 实验对象
• 2.3.3 实验步骤
• 2.4 实验数据处理系统
• 2.5 标定原理
• 2.6 实验结果与讨论
• 2.6.1 标定曲线
• 2.6.2 标定曲线的误差分析
• 2.6.3 不同雷诺数下点传质规律的研究
• 2.6.4 不同雷诺数下规整填料表面的平均传质效率
• 2.7 加入隔板后填料表面的点传质研究
• 2.7.1 不同雷诺数下的点传质研究
• 2.7.2 不同雷诺数下规整填料表面的平均传质效率
• 2.8 加入隔板前后规整填料表面传质情况的比较
• 2.8.1 局部传质分布比较
• 2.8.2 整体传质分布比较
• 2.8.2.1 孔道出口处传质比较
• 2.8.2.2 波谷处传质比较
• 2.8.2.3 进出口传质比较
• 2.8.3 平均传质效率的比较
• 2.9 加入开孔隔板后的点传质研究
• 2.10 小结
• 第三章 利用流体力学对实验过程的模拟研究
• 3.1 气体流动模拟
• 3.1.1 规整填料内气体流动速度流场分布
• 3.1.2 微观速度流场的分析
• 3.1.2.1 单独波纹的速度流场分析
• 3.1.2.2 一个传质单元的速度流场分析
• 3.1.3 规整填料内气体流动的分析
• 3.1.4 通过流场对实验结果的解释
• 3.1.5 加入隔板前后规整填料的压降分析
• 3.2 气体传质的流体力学模拟
• 3.2.1 规整填料表面点传质计算的物理模型
• 3.2.2 规整填料点传质计算的数学模型
• 3.2.2.1 质量守恒和动量守恒方程
• 3.2.2.2 湍流模型
• 3.2.2.3 传质扩散方程
• 3.2.2.4 化学反应模型
• 3.2.3 边界条件的设置
• 3.2.4 CFD模拟结果
• 3.2.4.1 速度在表面上的分布
• 3.2.4.2 湍流在表面上的分布
• 3.2.4.3 计算结果与实验结果的比较分析
• 3.2.4.3.1 整体传质分布比较
• 3.2.4.3.2 局部传质分布比较
• 3.3 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 符号说明
• 致谢