新型固定阀塔板流体力学实验研究及数值模拟

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板式塔,是石油化工行业中一种重要的气液传质设备,其中的固定阀塔板,以其压降小和抗堵塞等性能得到了广泛的应用。本文在现有塔板研究的基础上,以提高单位阀孔投影面积下的润湿周边长、增加气液接触面积为目的,提出了一种新型的十字正交型固阀塔板。同时,从流体力学实验及计算流体力学(CFD)两方面入手,对十字正交型固阀塔板的性能及板上流场进行了分析。流体力学实验在直径为1200mm的不锈钢塔器内、采用空气—水物系于常温常压下完成。通过改变操作参数(液流强度和空塔气速)及设备结构参数(出口堰高、固阀排布方向及塔板开孔率)来测试塔板的流体力学性能,其中包括塔板压降、雾沫夹带量、塔板漏液及板上清液层高度。同时,通过对实验数据的拟合,得到了相应的关联计算式。为了进一步分析新型固阀板上方的流场分布,本文借助于计算流体力学软件分别在单相气流和气液两相流的情况下进行了流体模拟计算。单相气流模拟中分别采用了三种不同的湍流方程(Realizable k、standard和RNG),通过对比干板压降的计算结果与实验数据,以验证CFD模型的正确性;同时,在考虑收敛速度的前提下,探讨各湍流方程下的收敛情况,结果表明Realizable模型具有更好的准确性和更低的计算成本。此外,根据模拟结果,本文详细分析了固阀塔板上方的气相流场分布,并通过改变固阀间距和加开导向孔对固阀进行了结构优化。气液两相流模拟以双欧拉模型为基础,采用混合相Realizable湍流方程,利用气相平均相体积分率建立新的气液动量源项表达式,从而完成十字固阀塔板的CFD三维模型。同时以板上清液层高度为参照,验证本文两相流模型的正确性。此外,根据模拟结果,本文详细分析了塔板上方的气液相含率及速度场的分布,并在改变固阀排布方向和加开导向孔的情况下,对塔板流场进行了进一步研究。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 文献综述第8-24页
    1.1 塔设备概述第8页
    1.2 板式塔技术的研究进展第8-19页
        1.2.1 新型筛孔塔板第9-10页
        1.2.2 新型浮阀塔板第10-14页
        1.2.3 穿流塔板第14-15页
        1.2.4 立体喷射型塔板第15-16页
        1.2.5 固定阀塔板第16-19页
    1.3 板式塔的流体力学性能第19-21页
        1.3.1 塔板压降第19-21页
        1.3.2 雾沫夹带量第21页
        1.3.3 漏液量第21页
        1.3.4 清液层高度第21页
    1.4 计算流体力学(CFD)及其在塔板研究中的应用第21-23页
        1.4.1 计算流体力学(CFD)概述第21-22页
        1.4.2 CFD 在精馏塔板研究中的应用第22-23页
    1.5 本文主要的研究内容第23-24页
第二章 实验装置及测试方法第24-32页
    2.1 新型十字正交型固阀的结构特点第24-25页
    2.2 实验塔板的结构参数及实验操作参数第25-28页
    2.3 实验装置与实验流程第28-29页
    2.4 实验操作步骤第29-30页
    2.5 实验数据的测试方法第30-32页
第三章 流体力学实验结果及分析第32-52页
    3.1 塔板压降第32-38页
        3.1.1 干板压降第32-33页
        3.1.2 湿板压降第33-38页
    3.2 雾沫夹带第38-43页
    3.3 塔板漏液第43-47页
    3.4 板上清液层高度第47-51页
    3.5 本章小结第51-52页
第四章 十字正交固阀塔板气相流场的 CFD 模拟第52-71页
    4.1 塔板上气相流动的数学模型第52-56页
        4.1.1 气相流动的控制方程第52-53页
        4.1.2 湍流方程的选择第53-56页
    4.2 塔板上气相流动的物理模型第56-60页
        4.2.1 计算流动区域及边界条件第56-58页
        4.2.2 网格划分第58-60页
    4.3 CFD 求解器设置第60页
    4.4 CFD 模拟结果与分析第60-70页
        4.4.1 网格独立性验证第60-61页
        4.4.2 CFD 模型验证和不同 k 湍流方程的比较第61-62页
        4.4.3 十字正交固阀塔板上气相流场分布第62-70页
    4.5 本章小结第70-71页
第五章 十字正交固阀塔板气液两相流场的 CFD 模拟第71-95页
    5.1 塔板上气液两相流的数学模型第71-78页
        5.1.1 气液两相流动的控制方程第71-72页
        5.1.2 气液两相间动量传递源项第72-77页
        5.1.3 湍流模型的确定第77-78页
    5.2 塔板上气液两相流的物理模型第78-81页
        5.2.1 计算流动区域及边界条件第78-80页
        5.2.2 网格划分第80-81页
    5.3 CFD 求解器设置第81页
    5.4 CFD 模拟结果与分析第81-94页
        5.4.1 CFD 模型的验证第82-83页
        5.4.2 气液两相相含率分布第83-85页
        5.4.3 液相速度场分布第85-90页
        5.4.4 加开导向孔对塔板流场的影响第90-91页
        5.4.5 固阀反向排布对流场的影响第91-94页
    5.5 本章小结第94-95页
第六章 结论与展望第95-98页
    6.1 结论第95-96页
    6.2 展望第96-98页
参考文献第98-105页
发表论文和参加科研情况说明第105-106页
致谢第106页
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