筛板萃取塔内流型优化的CFD模拟和PIV实验研究

摘要

筛板萃取塔由于其处理量大、结构简单、造价低廉而被广泛应用于化工生产过程中。塔内液液两相的流动结构对传质效率有着重要影响，同时连续相的流动结构又与塔内件结构密切相关。本课题研究目的在于通过改进筛板萃取塔内件结构来优化塔内连续相的流动结构，进而提高塔的传质效率。
　　本文利用CFD模拟和PIV实验的方法研究了筛板萃取塔内连续相流型随着塔内件结构的改进而不断得到优化的过程。首先模拟了传统筛板萃取塔内连续相的流动结构，结果发现塔内每两层塔板间都存在面积很大的回流区，浪费塔内空间，增大了两相传质阻力，最终会降低塔的传质效率。于是本文以最小化回流区面积为优化目标，通过改进塔内件结构对筛板萃取塔内连续相流型进行优化。内件结构的改进措施包括：降液管开槽、降液管倾斜安装、塔板出口处安装导流挡板、调整降液管和导流挡板上的开槽数目和尺寸以及在降液管若干开槽处安装横向小挡板等。本文对五代十一个不同内件结构的筛板萃取塔内流场进行了CFD模拟，并且对其中三种结构的塔内流场进行了PIV测速实验。文章最后还对不同内件结构的塔内流场进行了三维CFD模拟。
　　模拟和实验结果较一致表明，随着塔内件结构的改进，塔内流动结构不断得到优化，回流区面积逐渐减小，塔板间流速分布变得均匀，整个塔内流型趋于平滑流畅。塔内速度场得到不断优化的同时，浓度场分布也越来越理想，传质效率不断提高。最终得到的最优结构塔5C内，除了塔板边角处存在小块的滞留区外，绝大部分区域内已经没有回流区，塔内流型很接近于理想的柱塞流模型，这将使得相际接触表面得到充分更新，减小传质阻力，有利于提高塔的传质效率。同时，计算传质学模拟结果也表明，最优结构塔5C内，除了塔板边角处存在小范围传质死区外，基本不存在明显的浓度回流区，这样塔内大部分区域内两相接触良好，轴向返混得到有效抑制，塔内空间有效利用率和塔的传质效率得到显著提高。

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第一章 文献综述

1.1筛板萃取塔研究进展

1.2萃取塔内流场的CFD研究进展

1.3 PIV技术的原理及应用

1.4化工设备流型优化的相关研究

1.5本课题主要研究内容

第二章 筛板萃取塔内流型优化的CFD模拟研究

2.1传统筛板萃取塔内流型的CFD模拟

2.2筛板萃取塔内流型优化

2.3各塔传质性能模拟

2.4本章小结

第三章 筛板萃取塔内流型优化的PIV实验研究

3.1 PIV测速实验设备

3.2 PIV测速实验流程

3.3 PIV测速实验结果与讨论

3.4 PIV实验结果与CFD模拟结果对比

3.5本章小结

第四章 筛板萃取塔内流型的三维CFD模拟

4.1计算模型

4.2网格划分和边界条件设置

4.3计算结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

符号说明

致谢