规整填料内气体流动和传质的CFD模拟

摘要

规整填料中传质效率和传质阻力决定了填料塔设备的尺寸大小和生产能耗，为降低填料塔的建造成本和生产能耗，提高规整填料的传质效率或者降低传质阻力是关键。研究发现，通过改变规整填料孔道的几何特性来强化传质往往会引起压降的升高，而降低了流动阻力却会减弱了传质效率。由于传质主要发生在边界层，流动阻力主要由主体流动决定，这就为强化传质的同时减小传质阻力提供了理论依据。
　　 规整填料孔道内流体的流动特性难以检测，本文利用显色化学反应实验的方法获得规整填料内流体的流动特性和传质系数的分布规律，显色化学反应实验的优点是能够在不破坏规整填料内流体流场的前提下获得实验所需要的传质系数和传质特性。
　　 本文尝试使用计算流体力学(CFD)的方法对规整填料进行研究，以获得规整填料内流体的流动特性和传质系数的分布规律，该方法的优点是能够直接获得规整填料内流体的流场图，操作简便。本文根据规整填料内流场的流动特性，建立了包括能够精确模拟主体流动和边界层特性的低雷诺数κ-ε湍流模型和计算传质系数的表面快反应模型，并把模拟结果和实验结果及文献数据进行了对比，验证了该方法的可靠性。
　　 为了解决传质和阻力的矛盾，本文提出在规整填料之间加入平面隔板。由于气体在规整填料孔道内流动的阻力主要由壁区摩擦阻力、流动改向阻力和交叉流动阻力三部分组成，所以隔板的加入能够消除气气交叉阻力，本文从实验和CFD模拟两部分出发，对该方案进行了验证，结果表明，加入隔板之后，规整填料的平均传质系数得到了提高，传质阻力下降。
　　 本文的研究仅限于规整填料的研究，但是对其他填料的研究开发也有一定借鉴作用。