振动三相流化床流体力学和传质特性实验研究及模型模拟

摘要

三相流化床是一种具有高效传热、传质性能的设备，高速湍动的床层为相间传质提供很大的表面积，同时还具有床体自净的功能。 本文在三相流化床中引入振动，建立实验装置，开展了振动三相流化床的流体力学和脱除模拟烟气中SO<,2>的传质特性实验研究。分别采用计算流体力学(CFD)和因次分析法对三相流化床内流体流动和传质特性进行模拟。 在流体力学特性实验中，系统地研究了床层压降、床层膨胀率和液含率变化规律，结果表明：振动对三相流化床流场的影响较复杂，在K=0～2.8范围内，提高振动强度有利于床内流化质量的改善；K>2.8时振动使得床内液体和颗粒出现向上的同向运动，在分布板处形成大气泡；对于本实验系统，在K=2.8时，振动对流化质量的改善达到最佳效果。对三相流化床内流体流动进行合理假设，简化了流体流动的物理模型。采用欧拉模型建立三相流化床内流体流动的封闭方程。压力．速度耦合用SIMPLE方法进行处理，离散格式采用有限体积方法，用二维轴对称非稳态求解。数值求解得到三相流化床内复杂的压力场、速度场、局部相含率和湍动能的分布规律。实验拍摄到的流动漩涡在数值模拟结果中有较好验证。数值模拟和实验条件下得到的床层压降进行比较，结果吻合较好，误差在±20％以内。在SO<,2>的吸收实验中，考察了振动三相流化床的传质性能，结果表明：体积传质系数随气体流速的增加先升高后略有降低，随液体流速的增加而升高，随静床高度的升高而降低，随振动强度的增加呈现抛物线走势，在K=2.8处取得最大值。结合实验数据，用因次分析法进行关联，获得了以气相颗粒雷诺数、气相施密特准数、振动强度、相似准数和谐时准数表示的振动三相流化床烟气脱硫体积传质系数的准数关联式。与实验数据进行了对比验证，结果吻合较好，误差在±20％以内。 通过实验验证和模型分析，证明振动三相流化床应用于烟气脱硫是可行的，欧拉模型对于三相流化床流体流动分析，具有一定的实用价值，经验关联式能够为振动三相流化床的工业放大提供理论依据。

目录

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第一章文献综述

1.1三相流化床研究及发展状况

1.1.1三相流化床简介

1.1.2三相流化床在烟气脱硫中的应用

1.2三相流化床流体力学行为研究

1.2.1最小流化速度

1.2.2床层压降

1.2.3相含率

1.2.4床层膨胀特性

1.3三相流化床内传质过程研究

1.3.1总气-液体积传质系数

1.3.2液体侧与气体侧的体积传质系数

1.3.3气-液相界面积

1.4三相流化床用于烟气脱硫的物理与化学过程分析

1.4.1吸收机理

1.4.2化学反应过程

1.5振动流化床研究及发展状况

1.5.1振动流化床简介

1.5.2振动流化床研究状况

1.6湍流多相流模型

1.7课题产生背景和主要工作

第二章实验部分

2.1实验装置及设备

2.1.1实验设备及装置

2.1.2实验流程

2.2实验设计

2.2.1实验参数的制定

2.2.2实验点的布置

2.3实验数据处理

2.3.1实验数据的测量方法

2.3.2实验数据的初步处理

2.4本章小结

第三章实验结果及分析

3.1振动三相流化床流体力学特性的研究

3.1.1床层压降

3.1.2床层膨胀率

3.1.3液含率的影响因素

3.2振动三相流化床传质特性的研究

3.2.1烟气流速对体积传质系数的影响

3.2.2液体流速对体积传质系数的影响

3.2.3静床高度对体积传质系数的影响

3.2.4烟气温度对体积传质系数的影响

3.2.5振动强度对体积传质系数的影响

3.3本章小结

第四章传质模型的建立及验证

4.1经验模型的建立

4.2模拟值与实验数据的比较

4.3本章小结

第五章三相流化床内流体流动数值模拟

5.1物理模型

5.2流场数学模型

5.2.1控制方程

5.2.2湍流参数方程

5.2.3相界面动量交换模型

5.3边界条件与初始条件

5.4计算网格划分

5.5数值求解

5.6模拟结果

5.6.1局部相含率计算结果及分析

5.6.2压力场的模拟结果及分析

5.6.3速度场的模拟及分析

5.6.4湍动能的模拟及分析

5.7本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文

致 谢