隔板精馏塔流场的计算流体力学模拟

论文摘要

精馏是化工生产中一项能耗很高的单元操作，据统计资料显示，其能耗占到石化行业生产总能耗的一半左右。近年来能源价格持续走高，因此精馏过程的节能研究有着十分重要的意义。隔板塔（Dividing Wall Columns，DWC）是近年来这方面研究的热点，相较于传统的两简单塔分离序列，隔板塔可使生产能耗和设备投资均降低约30%。隔板塔的水力学研究尚不充分。精馏塔水力学性能研究有两种常用方法：实验测定和计算机模拟。塔板的流体力学实验结果准确可靠，但是投入较大，且难于提供塔板流场的微观信息。近几十年来，随着计算机技术的迅猛发展，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的计算机模拟日渐成为辅助设计的重要手段。CFD模拟简洁方便，其结果不仅可以提供流场的微观信息，而且可以直接应用于实际生产。为对隔板塔内的流场进行研究，比较隔板塔与常规精馏塔在水力学性能上的异常，本文展开了相关研究工作。本文使用欧拉方法建立了精馏塔板上考虑气相分布不均匀性的三维气液两相流动模型，使用商用流体力学软件Fluent以水—空气系统计算了常规精馏塔板在各工况下的流场，将模拟计算结果与实验值进行比对以验证模型的精确性。然后，使用验证过的数学模型对相同尺寸的隔板精馏塔的流场进行了模拟计算，对计算出的流场进行了分析，并将模拟所得常规精馏塔流场和隔板精馏塔流场进行了对比。模拟计算结果表明：本文建立的精馏塔板上考虑气相分布不均匀性的三维气液两相流动模型有足够高的精确性。此外，本文通过模拟计算了隔板精馏塔板的流场，得出了其气液两相的分布规律及速度场的分布规律。通过模拟数据对常规精馏塔板的流场和隔板精馏塔板流场进行了对比，证明了两者的流场具有极大的相似性，常规精馏塔板流体力学实验中得到的相关公式和数据也可以用于隔板精馏塔的设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 隔板精馏塔及其发展现状
• 1.1.1 隔板精馏塔的结构
• 1.1.2 隔板精馏塔的原理
• 1.1.3 隔板精馏塔的适用范围
• 1.1.4 隔板精馏塔的应用现状
• 1.2 精馏塔水力学研究现状
• 1.2.1 精馏塔板上的流动状态
• 1.2.2 精馏塔板的水力学性能参数
• 1.2.3 塔板上气液两相的非理想流动
• 1.2.4 精馏塔板的效率
• 1.3 计算流体力学概述
• 1.3.1 计算流体力学的基本工作步骤
• 1.3.2 计算流体力学的分支
• 1.3.3 通用控制方程
• 1.3.4 CFD 求解的一般过程
• 1.4 精馏塔板上 CFD 数学模型的研究进展
• 1.4.1 VOF 模型（等同于拟单相模型）
• 1.4.2 混合模型
• 1.4.3 欧拉—欧拉模型
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 三维湍流模型
• 2.1 湍流及其数学描述
• 2.2 湍流的数值模拟方法
• 2.2.1 直接模拟法（DNS）
• 2.2.2 大涡模拟法（LES 法）
• 2.2.3 Reynolds 平均法（RANS）
• 2.3 模型在近壁区的使用
• 2.3.1 近壁区的分层
• 2.3.2 壁面函数法
• 2.3.3 低 Re 数 k ε模型
• 2.4 湍流模型和多相流模型的耦合
• 2.4.1 分散湍流模型
• 2.4.2 混合湍流模型
• 2.4.3 每相湍流模型
• 2.5 小结
• 第三章 精馏塔板上三维气液两相流动模型的建立
• 3.1 动量传递模型的确定
• 3.1.1 欧拉—欧拉气液两相动量传递模型
• 3.1.2 气液两相间动量传递源项
• 3.2 湍流模型
• 3.3 考虑气相分布不均匀性的模型修正
• 3.4 小结
• 第四章 精馏塔板上三维气液两相流动模型的验证
• 4.1 几何模型
• 4.2 计算域形状及网格划分
• 4.3 边界条件
• 4.3.1 气相入口边界
• 4.3.2 液相入口边界条件
• 4.3.3 出口边界条件
• 4.3.4 壁面边界条件
• 4.3.5 对称面边界条件
• 4.4 模型精度的验证
• 4.4.1 模拟运算
• 4.4.2 验证结果与讨论
• 第五章 隔板精馏塔塔板的模拟计算
• 5.1 几何模型及网格划分
• 5.3 边界条件
• 5.3.1 气相入口
• 5.3.2 液相入口边界条件
• 5.3.3 出口边界条件
• 5.3.4 壁面边界条件
• 5.4 模拟计算方法
• 5.5 模拟结果与讨论
• 5.5.1 气液两相的体积分布
• 5.5.2 气液两相的速度分布
• 5.5.3 隔板精馏塔板和常规精馏塔板的比较
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢