高粘物料在组合导向塔板上的计算流体力学模拟

摘要

在石油化工、制药以及食品行业中常见高粘物料的精馏分离过程。物料粘度高会使塔板上流动不畅，降低塔板效率，影响产品的产量和质量。以往对塔板的研究多集中在低粘度物料，适应高粘物料的精馏塔板的研究文献较少。本文针对高粘物料，在塔板设计中选用梯形导向抗堵固阀，并组合导向舌型阀片，利用计算流体动力学（CFD）方法，首次对高粘物料在组合导向塔板上的流体力学特性进行了研究。 结合工业实例，对塔径为1.4m的梯形导向固阀塔板，首先建立液相单相流模型，考察了高粘非牛顿流体流过塔板的非稳态流动过程及稳定后的流场分布特性，并与物料为高粘牛顿流体、低粘牛顿流体时的流场分布特性进行了对比，得到了不同粘度下，液相流场的分布规律，并考察了物料粘度和液流强度对液面梯度的影响。 建立气相单相流三维模型，对气相单独流过塔板进行三维稳态模拟，研究了气相流场分布情况。并针对导向固阀塔板存在的问题，对塔板结构进行了改进，设置导向舌型阀片，形成组合导向塔板。模拟结果表明，该组合导向塔板结构可以有效改善原有塔板的缺点，提高塔板效率。 以欧拉-欧拉两相流模型为基础，采用可以准确地描述高粘气液两相流动的低雷诺数修正SST k-ω模型，并采用用户自定义函数，考虑了相间动量源项，对高粘非牛顿流体在塔板上气液两相的流动行为进行了模拟研究。得到了塔板不同截面上液相体积分率及液相速度场的分布规律，并研究了塔板上充气系数在不同方向的变化规律。结果表明，对于高粘物料使用舌形-梯形导向固阀结构的组合导向塔板能有效改善液面梯度，加强了对高粘物料的推动作用，加强了气液两相之间的传质。

目录

第1章 文献综述

1.1前言

1.2 精馏塔板的发展概述

1.2.1 泡罩塔板

1.2.2 筛孔型塔板

1.2.3 浮阀型塔板

1.2.4 固阀型塔板

1.3 塔板的流体力学性能

1.3.1 气液接触状态

1.3.2 非理想流动

1.4 液相粘度的相关研究

1.4.1 高粘度物料

1.4.2 非牛顿物料

1.5 计算流体力学概述

1.5.1 CFD特点及应用软件

1.5.3 CFD的工作步骤

1.5.2 CFD在精馏塔板上的应用

1.6 本章小结

第2章 计算流体力学的模型与方法

2.1 单相流模型

2.1.1 控制方程

2.1.2 湍流模型

2.2 两相流模型

2.2.1 两相流模型的控制方程

2.2.2 相间动量传递源项

2.2.3 湍流模型的选择

2.3 本章小结

第3章 单相流模拟研究

3.1 塔板上液相的流动行为研究

3.1.1 几何模型

3.1.2 网格划分

3.1.3 边界条件

3.1.4 计算设置

3.1.5 液相流动行为的模拟结果与分析

3.2 板上气相的流动行为研究

3.2.1 几何模型

3.2.2 网格划分

3.2.3 边界条件

3.2.4 计算设置

3.2.5 气相流动行为的模拟结果与分析

3.3 塔板流动状况改进的结构措施

3.3.1 塔板增加舌形孔

3.3.2 结果分析

3.4 本章小结

第4章 两相流模拟研究

4.1 几何模型

4.2 网格划分

4.3 边界条件

（1）进口条件

（5）操作条件

4.4 计算设置

4.5 模拟结果分析

4.5.1 塔板上液相分率分布

4.5.2 塔板上液层充气率沿流动方向（X轴）变化

4.5.3 塔板上液层充气率沿径向（Y轴）变化

4.5.4 液相速度分布

4.6 本章小结

第5章 结论

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

符号说明

致谢