微细泡塔盘流体力学的测定与传质性能的研究

痕量分离论文 整微板论文 塔板效率论文 气含率论文 功率谱密度论文
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塔设备是广泛应用于炼油、化工等行业物质分离的一种重要的气液和液液传质设备。在痕量分离中,无论是对填料塔还是板式塔的开发,都存在结构复杂和生产成本高的缺点,所以研究者们开始寻找不使塔板效率降低同时又能使筛板结构简单的方法。因在痕量分离过程中,气泡直径大小对塔板效率的高低起着决定性的作用,所以提高分离效率的有效方法是破除较大气泡,强化表面更新和增大两相接触面积。其中破除大气泡最简单直接的方法是在筛板上铺设一层筛网,即建立重整化微尺度筛板结构。基于这种结构,本文通过CFD模拟和实验验证的方法对整微板的结构和流体力学性能进行了系统的研究。本文采用欧拉-欧拉双流体模型构建了非稳态三维塔板气液流场,通过对气含率和开孔率等分析得出其最佳结构:方形筛网的安装高度为25mm,开孔率为55.7%为最佳;且单层筛网更适用于工业推广应用;采用CFD-PBM耦合模型对整微板进行模拟分析,得出大、小气泡群在塔内的分布规律,且整微板中气泡平均直径仅为筛板的12%;通过对比两种塔板的模拟结果,可以发现筛网能够使气相分布变得更为均匀,还消除了所在位置上的大旋涡,规整了气相流动方向,这些改变都是有利于传质的。为了定量分析影响塔板效率的各参数,本文选用空气-水系统进行筛板和整微板的流体力学实验测定,并对气泡特性进行了一系列的研究,实验结果表明整微板的最优结构是:筛网的安装高度为25mm,孔径为5目。并与筛板做了对比,结果表明:整微板的平均湿板压降达到0.243kPa,比筛板高出44个百分点,导致能耗较大;整微板的平均气泡直径为5.16mm,仅为筛板的15%,与模拟值基本吻合;整微板的气含率较筛板平均高出3.28%;整微板中的压力波动较为平稳,且功率谱密度图也反映了小气泡能更好的保持其形态,破碎频率远远低于筛板,对塔的操作状态有较大程度的改善。本文选取SO2的解吸实验来分析筛板和整微板的传质效率。实验结果表明:普通解吸时,同等条件下,整微板的解吸效率为86.85%,是筛板的1.87倍;痕量解吸时,整微板的解吸效率仍能保持在50%以上,远远大于筛板的解吸效率,且解吸效果良好,能将SO2浓度降至20mg·L-1以下,远低于筛板的解吸极限。故在痕量分离过程中,整微板具有很好的应用前景。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
符号说明第11-12页
前言第12-14页
1 文献综述第14-30页
    1.1 筛板塔塔板研究概况第14-20页
        1.1.1 Linde筛板第14页
        1.1.2 95型大通量塔板第14-15页
        1.1.3 MD塔板及改进第15-16页
        1.1.4 Nye塔板第16-17页
        1.1.5 国内开发的DJ系列塔板第17-18页
        1.1.6 斜孔塔板第18页
        1.1.7 新型垂直筛板塔(NVST)第18页
        1.1.8 梯形立体喷射塔板(CTST)第18-19页
        1.1.9 筛板塔的发展方向第19-20页
    1.2 气液传质机理研究第20-26页
        1.2.1 经典传质理论第20-22页
            1.2.1.1 停滞膜模型第20-21页
            1.2.1.2 溶质渗透模型第21页
            1.2.1.3 表面更新模型第21-22页
        1.2.2 对经典模型的修正第22-24页
            1.2.2.1 湍流边界层模型第22页
            1.2.2.2 膜渗透理论第22页
            1.2.2.3 修正的表面更新模型第22-23页
            1.2.2.4 三膜模型第23页
            1.2.2.5 修正膜理论第23-24页
            1.2.2.6 修正的渗透-表面更新模型第24页
        1.2.3 湍动旋涡理论第24-26页
            1.2.3.1 旋涡扩散模型第24-25页
            1.2.3.2 旋涡池模型第25-26页
        1.2.4 多尺度局部均匀模型第26页
    1.3 课题背景与研究内容第26-30页
        1.3.1 课题背景第26-27页
        1.3.2 研究内容第27-30页
2 整微板数学模型的建立与分析第30-40页
    2.1 计算流体动力学发展概况第30-31页
    2.2 双流体数值计算模型第31-33页
        2.2.1 欧拉-拉格朗日模型第31-32页
        2.2.2 欧拉-欧拉模型第32-33页
    2.3 欧拉-欧拉气液两相流数学模型第33-38页
        2.3.1 基本方程第33-34页
        2.3.2 湍流的数值模拟方法第34页
        2.3.3 标准k-ε两方程模型第34-36页
        2.3.4 离散相的尺寸分布模型第36-38页
    2.4 小结第38-40页
3 整微板气液传质的模拟优化第40-58页
    3.1 物理模型第40-41页
    3.2 网格的划分第41-43页
    3.3 边界条件第43-45页
    3.4 CFD模型的验证第45-47页
    3.5 模拟结果及分析第47-55页
        3.5.1 筛网安装高度第47-48页
            3.5.1.1 筛网高度对气含率的影响第47-48页
            3.5.1.2 筛网高度对液相速度的影响第48页
        3.5.2 开孔率第48-49页
            3.5.2.1 开孔率对气含率的影响第48-49页
            3.5.2.2 开孔率对液相速度的影响第49页
        3.5.3 单、双层筛网第49-51页
            3.5.3.1 单、双层筛网对轴向速率的影响第50页
            3.5.3.2 双层筛网对气含率的影响第50-51页
        3.5.4 液气比第51-52页
            3.5.4.1 不同液气比对气含率造成的影响第51-52页
            3.5.4.2 不同液气比下,对雾沫夹带量的影响第52页
        3.5.5 整微板与普通筛板的性能比较第52-55页
            3.5.5.1 气泡尺寸分布第52-53页
            3.5.5.2 气泡轴向分布第53-54页
            3.5.5.3 气含率的变化第54页
            3.5.5.4 气相速度矢量的变化第54-55页
    3.6 小结第55-58页
4 整微板气液传质的实验研究第58-70页
    4.1 实验装置及流程第58-59页
    4.2 实验步骤第59-60页
    4.3 实验方法第60-61页
        4.3.1 压力降的测量方法第60-61页
        4.3.2 气含率的测量方法第61页
        4.3.3 雾沫夹带的测量方法第61页
    4.4 实验结果与讨论第61-69页
        4.4.1 筛网安装高度的确定第61-64页
            4.4.1.1 湿板压降和泡沫层高度第61-63页
            4.4.1.2 气泡平均直径分布第63-64页
        4.4.2 孔径大小的确定第64-65页
            4.4.2.1 气泡直径分布、雾沫夹带量第64-65页
            4.4.2.2 湿板压降第65页
        4.4.3 筛板与整微板性能的比较第65-69页
            4.4.3.1 气含率的变化第66页
            4.4.3.2 压力脉动分析第66-68页
            4.4.3.3 塔板流体力学性能的对比分析第68-69页
    4.5 小结第69-70页
5 筛板和整微板传质实验的测定与比较第70-76页
    5.1 实验装置和流程第70-71页
    5.2 试剂的配置第71页
        5.2.1 SO2溶液的配置第71页
        5.2.2 NaOH溶液的配置第71页
    5.3 实验方法第71-72页
    5.4 实验步骤第72页
    5.5 实验结果分析与讨论第72-75页
        5.5.1 实验数据整理第72-73页
        5.5.2 筛板解吸效果分析第73-74页
        5.5.3 整微板解吸效果分析第74页
        5.5.4 筛板与整微板解吸效果对比分析第74-75页
    5.6 小结第75-76页
结论与展望第76-78页
    结论第76-77页
    展望第77-78页
参考文献第78-82页
附录1第82-84页
致谢第84-85页
攻读学位期间发表的学术论文目录第85-86页
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