侧壁喷液的旋流吸收器内吸收过程的研究

论文摘要

气体吸收在化工生产中有广泛地应用。传统的气液吸收设备结构复杂、造价高,而新型的旋转填料床又存在能耗较高、运动可靠性与稳定性等方面的限制,降低建设投资,发展简单、可靠的气液吸收设备的呼声很高。旋流器因结构简单、维护方便及投资成本较低,在离心沉降分离方面得到了广泛地研究和应用。实际上,旋流器中具有强化传递过程的流体力学环境,故可探索将旋流器应用于气液吸收过程。利用CFD软件对旋流场中的单相及两相流场进行了仿真研究。通过间接验证的方法,得到了本论文中旋流吸收器的流场模拟的比较合适的方案。CFD仿真的结果表明,在旋流场中,径向与轴向的速度的量级,相比于切向是较小的,且旋流场中的三个方向存在着速度梯度。旋流场内两相在径向方向存在相对速度,且相对速度随着流量的增加而增加,相对速度的存在对于加强两相接触作用,强化传质是有利的;而切向和轴向的相对速度在普通的旋流器中较小。此外,模拟结果还说明了本论文所研制的旋流吸收试验装置由于在侧壁进液,增大了轴向的相对速度,从而能够更好地增强旋流吸收器的传质效果,但是从两相的体积率的分布来看,尚需探索实际应用中的喷嘴的安装位置。对旋流场中分散相动力学特性进行了研究。在分析了诸多力对分散相运动的影响的基础上,建立了分散相径向运动方程以及旋流场中两相的相对运动方程。从分散相径向运动方程出发,得到了分散相径向速度在旋流器半径上的分布和解析解,并由此得到分散相径向运动特性时间t r。相对运动方程的求解结果与CFD模拟的结果一致,且切向和轴向的相对速度随着时间呈指数衰减。根据两相在轴向相对运动的无滑移条件,得到了分散相在轴向的运动特性时间t z;此外,将轴向无滑移条件与分散相径向速度的分布相联系,得到分散相的轨迹方程。而轨迹方程和分散相的运动特性时间,可计算旋流器的工作效率和指导旋流器的开发设计。应用量纲分析的方法,对旋流场中的应力进行了分析,并由此对分散相颗粒的变形和破碎进行了研究。量纲分析的结果表明:在湍流区域中,雷诺应力在量级上是粘性应力的倍数,且此倍数即为雷诺数,主要引起颗粒的破碎;而在其他区域,分散相颗粒则主要是变形和聚结,其中起主要作用的是粘性剪切应力,而在粘性剪切应力中起重要作用的则是旋流器中切向和径向剪切应力。在此基础上,推导得到了粘性剪切应力和湍动能引起液滴破碎的临界条件;通过韦伯数与相对速度的关系,得到了一定流量条件下,分散相液滴在特定区域中发生变形、破碎的情况。在流场仿真和理论分析的基础上,阐释了旋流吸收器中气液传质过程的特点。旋流场中不仅相对速度的存在强化了气液传质的过程,而且由于存在着速度梯度,增大了湍流扩散系数,并且产生了远强于湍流扩散的剪切弥散,从而极大地增强了旋流吸收器的传质能力。从对流传质方程出发,基于旋流场中分散相不同的运动形态,建立了旋流吸收器中伴有化学反应的气液吸收传质模型。该模型与Danckwerts的表面更新模型在表达形式上是完全一致的,并且克服了前人由于只考虑稳态的扩散传质,没考虑对流和非稳态传质而使模型具有的局限性。但该模型的计算需要测定一些特定的物理量,在应用上受到了限制。根据传质和湍流的相关理论,建立了基于旋流场中涡旋作用的气液吸收传质模型。该模型相比于其他模型,相关参数主要涉及到一些可控可测的操作、物性及结构等宏观方面的参数,计算简单,意义明确。从其相关参数的确定过程还可以看出,该模型还可推广应用于一般的自由界面的气液传质过程。由传质系数模型可得到扩散时间t D的关联式,根据旋流吸收器中t D << tr<<tz的要求,将扩散时间的关联式与分散相运动特性时间的表达式相联系,可以指导旋流吸收器应用于传质过程的设计与开发。设计了能够测定和计算出表征旋流吸收器中吸收特性参数的试验方法,研制了试验用的旋流吸收试验装置,搭建了整个试验系统以及相应的取样、分析测试设备。在此基础上,分别考察了处理量、液气比、气相分压、液滴的粒度以及结构参数对吸收过程的影响。试验结果表明,在本试验条件下,旋流吸收器的吸收速率与处理量、液气比、气相分压成正比,随液滴的粒度的下降而增大,但是如果液滴的粒度过小,由于表面张力的影响,反而可能不利于吸收速率的增加。测定和计算出的旋流吸收器的比相界面积与气相分压无关,可通过增大处理量、吸收剂量及减小液滴粒度的方法获得较大的比相界面积,但这三种方法都有所限制;结构尺寸较小的旋流吸收器较易获得较高的比相界面积。与文献中的其他吸收设备相比较,旋流吸收器的比相界面积的值居于前列。测定计算的吸收效率表明,在本试验条件下,旋流吸收器的吸收效率与液气比、处理量及液滴的粒度有关,而与气相分压无关,不过这可能与本试验的气相分压变化的幅度不大所致。根据试验数据计算得到的旋流吸收器的液相物理传质系数表明其值随气体处理量的增大而增大,与液滴的粒度及气相分压无关,在吸收剂量所占气液两相中的比例较低时,随着液气比的上升而下降。此结论不仅与Kolmogorov理论相一致,即能量耗散速度是湍流场中除物性以外,对扩散速率唯一的影响因素,而且与所建立的两个气液传质模型的理论结果吻合得相当好,说明所建立的气液传质模型有很好地应用性。理论探讨了温度对传质过程的影响,温度对于物理吸收过程的气相与液相的传质分系数的影响是不同的。而对于化学吸收过程,在一定温度范围内传质效果随温度的升高而升高;当高出这个温度范围的时候,温度的升高反而不利于吸收传质过程。计算了本试验条件下的各种热效应,最终证明了旋流器中的吸收试验基本上是等温的试验过程。最后建立的能量方程,可以更全面地表达试验过程中温度的变化。对旋流场及分散相运动特性的理论研究结果表明,旋流器中具有强化气液传质的特性,而比相界面积、传质系数以及扩散时间的试验结果也证明了旋流吸收器作为一种气液传质设备的应用可行性,如果再考虑其制造安装简单、维护方便等特点,且同时具有传递—分离一体化的效果,因而对它的推广应用具有实际的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 各种典型气液吸收装置的概述
• 1.1.2 超重力技术的发展及其在气液传质中的应用
• 1.1.3 旋转填料床存在的问题
• 1.1.4 强化气液传质的途径
• 1.1.5 旋流器可应用于强化热质传递的特性
• 1.1.6 旋流设备在强化传热传质过程方面的相关文献综述
• 1.2 课题的提出与研究内容
• 1.2.1 课题的提出
• 1.2.2 本文研究的主要内容与技术路线
• 参考文献
• 第二章 旋流吸收器中流体动力学仿真研究
• 2.1 计算流体动力学理论基础
• 2.1.1 CFD 简介
• 2.1.2 计算流体动力学的求解过程
• 2.1.3 基于有限体积法的控制方程的离散
• 2.1.4 湍流的数值模拟方法
• 2.2 旋流吸收器中气相流场的CFD 仿真研究
• 2.2.1 模型的建立和网格的划分
• 2.2.2 湍流模型的选择
• 2.2.3 边界与初始条件确定
• 2.2.4 差分格式的选择
• 2.2.5 压力插补格式与流场计算方法的选择
• 2.2.6 CFD 模拟方案的选择、比较
• 2.3 旋流吸收器中气液两相耦合流场的CFD 仿真研究
• 2.3.1 CFD 数值模型的选择
• 2.3.2 液相的轨迹
• 2.3.3 两相的体积率
• 2.3.4 两相的相对速度
• 本章小结
• 参考文献
• 第三章 旋流吸收器的流场中颗粒动力学研究
• 3.1 旋流场中颗粒受力分析
• 3.1.1 颗粒加速度力
• 3.1.2 流场分布的不均匀力
• 3.1.3 其他有关的力
• 3.1.4 颗粒受力的讨论
• 3.2 旋流场中分散相颗粒运动特性分析
• 3.2.1 旋流场中分散相颗粒径向相对运动
• 3.2.2 旋流场中分散相颗粒切向相对运动
• 3.2.3 旋流场中分散相颗粒轴向相对运动
• 3.2.4 相对速度的讨论
• 3.2.5 分散相颗粒运动特性时间
• 3.2.6 分散相轨迹方程
• 3.3 旋流场中的应力分析
• 3.3.1 旋流场中的应力
• 3.3.2 用量纲分析法比较旋流场中各应力的大小
• 3.3.3 旋流场中的应力与连续相介质阻力关系
• 3.4 旋流场中液滴的破碎
• 3.4.1 旋流场中相对速度下的剪切力引起的分散相液滴破碎
• 3.4.2 旋流场中由于湍动而引起的液滴破碎
• 3.4.3 旋流场中可变形液滴的完全破碎
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 旋流吸收器中气液吸收理论和数学模型的建立
• 4.1 气液吸收的理论基础
• 4.1.1 气液吸收时的气液平衡关系
• 4.1.2 传质的基本方式
• 4.1.3 旋流场中的对流传质
• 4.1.4 气液传质模型概述
• 4.2 旋流吸收器中基于液相形态的气液吸收模型的建立和求解
• 4.2.1 液滴的传质模型和求解
• 4.2.2 液丝的传质模型和求解
• 4.2.3 液膜的传质模型和求解
• 4.2.4 模型及其解的进一步讨论
• 4.3 旋流吸收器中基于不同尺度涡旋的气液吸收模型的建立与求解
• 4.3.1 数学模型的建立
• 4.3.2 模型中相关参数的确定
• 4.3.3 模型的的进一步应用
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 旋流吸收器的吸收试验
• 5.1 试验原理
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试验研究的物系
• 5.1.3 试验基本原理
• 5.2 试验装置
• 3/h 旋流吸收器'>5.2.1 120m³/h 旋流吸收器
• 3/h 旋流吸收器'>5.2.2 600m³/h 旋流吸收器
• 5.2.3 液滴的雾化和旋流器上雾化喷嘴的选择
• 5.2.4 旋流吸收系统中的其他设备
• 5.3 吸收试验
• 5.3.1 考察处理量对于吸收过程的影响
• 3/h 旋流吸收器）'>5.3.2 考察液气比对吸收过程的影响（600m³/h 旋流吸收器）
• 2分压对于吸收过程的影响（600m³/h 旋流吸收器）'>5.3.3 考察气相入口CO₂分压对于吸收过程的影响（600m³/h 旋流吸收器）
• 3/h 旋流吸收器）'>5.3.4 考察液滴粒度对于吸收过程的影响（600m³/h 旋流吸收器）
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 旋流吸收器的吸收试验结果及其分析
• 6.1 处理量对旋流吸收器的吸收过程的影响
• A' 的影响'>6.1.1 处理量对吸收速率G_A' 的影响
• 6.1.2 处理量对比相界面积a的影响
• L 的影响与传质模型的验证'>6.1.3 处理量对传质系数k_L的影响与传质模型的验证
• D 的影响'>6.1.4 处理量对扩散时间t_D的影响
• 6.1.5 处理量对吸收效率η的影响
• 3/H 旋流吸收器）'>6.2 液气比对旋流吸收器的吸收过程的影响（600M³/H 旋流吸收器）
• A' 的影响'>6.2.1 液气比对吸收速率G_A' 的影响
• 6.2.2 液气比对比相界面积a 的影响
• L 的影响与传质模型的验证'>6.2.3 液气比对传质系数k_L的影响与传质模型的验证
• 6.2.4 液气比对吸收效率η的影响
• 2分压对于旋流吸收器中吸收的影响（600M³/H 旋流吸收器）'>6.3 气相入口CO₂分压对于旋流吸收器中吸收的影响（600M³/H 旋流吸收器）
• 2分压对吸收速率G_A' 的影响'>6.3.1 气相入口CO₂分压对吸收速率G_A' 的影响
• 2 分压对比相界面积a 的影响'>6.3.2 气相入口CO₂ 分压对比相界面积a 的影响
• 2分压对传质系数k_L 的影响与传质模型的验证'>6.3.3 气相入口CO₂分压对传质系数k_L的影响与传质模型的验证
• 2 分压对吸收效率η的影响'>6.3.4 气相入口CO₂分压对吸收效率η的影响
• 6.4 考察吸收液滴粒度对旋流吸收器中吸收过程的影响
• 6.4.1 吸收液滴粒度对比相界面积a 的影响
• L 的影响与传质模型的验证'>6.4.2 吸收液滴粒度对传质系数k_L的影响与传质模型的验证
• A' 的影响'>6.4.3 吸收液滴粒度对吸收速率G_A' 的影响
• 6.4.4 吸收液滴粒度对吸收效率η的影响
• 6.5 试验条件的检验
• 6.6 温度与吸收传质过程关系的研究
• 6.6.1 温度对吸收传质过程的影响
• 6.6.2 旋流试验过程中的热效应
• 6.6.3 旋流吸收传质过程中能量方程
• 本章小结
• 参考文献
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 展望
• 论文创新点
• 附录A：雾化喷嘴及其出口液滴平均直径
• 附录B：吸收试验的原始数据
• 2在NAOH 溶液中的扩散系数和溶解度系数'>附录C：求解CO₂在NAOH 溶液中的扩散系数和溶解度系数
• 附录：作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢