新型固阀塔板流体力学性能研究及流场模拟

摘要

板式塔是重要的化工气液传质设备，近些年来，不断有新的板型出现，而固定阀塔板就是其中很重要的一类，它整合了浮阀塔板和筛孔塔板的优点，克服了它们的部分缺点，有着很好的发展前景，本文正是在此背景下针对目前开发塔设备新类型的实际需要，从实验和CFD模拟两个方面对一种新型固阀塔板进行了研究。
　　 实验部分，本文在一个直径600mm的有机玻璃塔内用空气—水系统测定了这种新型固阀塔板的四种流体力学性能指标——塔板压降、雾沫夹带、漏液和清液层高度，研究了它们随阀孔动能因子、溢流堰高和液流强度变化的规律，并根据实验数据回归得到压降、雾沫夹带、漏液和清液层高度的关联式以指导工业应用。此外，本文还通过对比实验考察了固阀间距和塔板上固阀的排布方向对塔板四种流体力学性能指标的影响，为这种塔板结构的继续优化提供了方向。
　　 模拟部分，本文在国内外已有研究的基础上，以双欧拉两相流模型和混合相k－ε湍流封闭模型为基础，建立了适用于本固阀塔板的三维气液两相流场模拟的CFD模型，模型中动量源项采用Krishna等提出的计算方法，其中的平均体积相含率是通过本文的实验数据关联而得到的。为了证明所建模型的适用性，本文模拟计算了直径600mm塔板上气液两相流场，采用的塔板结构尺寸和操作条件与实验时完全相同，模拟得到的不同操作条件下板上清液层高度与实验测定值吻合较好，间接证明所建模型能够比较准确的模拟固阀塔板上气液两相流场，而且不受操作条件的限制。以此模型为基础，本文通过模拟计算考察了不同固阀排布方向对塔板弓形区内流场的影响。

目录

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英文文摘

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前言

第一章 文献综述

1.1塔设备概述

1.2塔板的发展状况

1.2.1筛孔型新型塔板

1.2.2浮阀型新型塔板

1.2.3喷射型塔板

1.2.4固定阀塔板

1.3计算流体力学(CFD)及其在化工领域研究中的应用

1.3.1计算流体力学(CFD)简介

1.3.2 CFD在精馏塔板研究中的应用

1.4本文研究的主要内容及意义

第二章 实验内容及条件

2.1支脚式固阀元件的结构特点

2.2塔板的结构参数和实验操作参数

2.2.1实验塔板的基本结构参数及实验操作参数

2.2.2主实验板和对比板各自结构参数

2.3实验装置与流程

2.4实验内容和步骤

第三章塔板流体力学性能研究

3.1塔板上气液接触状态

3.2塔板压降

3.2.1干板压降

3.2.2湿板压降

3.3雾沫夹带

3.4漏液

3.5清液层高度

3.6本章小结

第四章CFD模型的建立

4.1新型固阀塔板流场模拟的数学模型

4.1.1双流体模型

4.1.2气液两相动量传递源项

4.1.3湍流模型的确定

4.1.4近壁区域的处理

4.2新型固阀塔板流场模拟的几何模型

4.2.1模型几何结构

4.2.2网格划分和边界条件

4.3求解设置

4.3.1控制方程离散

4.3.2控制方程求解算法

4.4本章小结

第五章模拟结果及模型验证

5.1模型验证

5.2模拟结果与讨论

5.2.1相含率分布

5.2.2俯视截面速度场

5.2.3前视截面速度场

5.2.4气液速度随高度的变化

5.2.5不同固阀排布方向对弓形区内液相流场的影响

5.3本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致 谢