粘性流体落管式降膜脱挥特性的实验与CFD模拟研究

摘要

聚合物脱挥是一种从聚合物体系中分离低分子量组分的工艺，开发高效的聚合物脱挥设备，对于提高聚合物产品性能、简化工艺流程、降低过程能耗等方面至关重要。竖直管上的降膜流动因其具有气液接触面积大、结构简单、脱挥效率高、无外加搅拌、能耗较低等一系列优点，作为一种脱挥单元操作技术应用在聚合物脱挥工艺中。以落管式脱挥反应器的开发和应用为背景，采用CFD模拟技术与冷模实验相结合的方式，研究流体流量、粘度、结构参数与成膜特性的关系，并且建立成膜特性与脱挥特性的关联。
　　采用流体体积函数(VOF)模型建立了二维气-液两相流的CFD模型，通过加入两个影响液膜流动的动量源项:表面张力动量源项和界面剪应力动量源项，同时考虑相界面小分子挥份的挥发情况，加入了传质源项，研究了流量、粘度以及结构参数对成膜性能的影响。与低粘流体的降膜流动相比，中粘流体形成的液膜在壁面上流动速度更加缓慢，膜表面拉伸状况随粘度升高而增大;波峰和波谷处的速度分布曲线为传统的抛物线形。
　　将冷模实验与CFD模拟相结合，研究了高粘流体沿光滑管的降膜特性与脱挥特性。利用可视化技术与紫外光谱分析研究了不同环形分布器狭缝宽度、液位高度、流体粘度下的流体流动特性、成膜特性及表面更新特性。结果表明:光滑管降膜流动状态接近平推流，在壁面至膜厚方向上液膜速度梯度分布明显;建立降膜流量与流体粘度、液位高度和分布器狭缝宽度的经验关系公式，实验值与计算值的相对标准偏差在±8％以内。
　　设计了菱形、单锥、双锥三种不同的新型异型管，利用冷模实验与CFD模拟相结合的方式，研究了不同流动条件下的成膜条件、成膜效率、表面速度分布以及表面更新频率。结果表明，三种管型的单管成膜效率是光滑管的1.3倍，有效提高了表面脱挥性能。菱形异型管具有更好的成膜稳定性，适用于较宽粘度范围的复杂流体。单锥形异型管拥有更高的成膜效率，特别是在高粘体系中，其脱挥效果优于菱形异型管。双锥内构件的脱挥效率最高，可达相同条件下光滑管的三倍。

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摘要

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符号说明

第1章 文献综述

1．1 脱挥过程的基本理论

1．1．1 扩散脱挥理论

1．1．2 气泡脱挥理论

1．2 脱挥设备

1．2．1 旋转脱挥设备

1．2．2 静态脱挥设备

1．3 降膜流动过程研究概况

1．3．1 降膜流动成膜过程

1．3．2 聚合物流动特性

1．3．3 表面更新频率

1．4 课题的提出

第2章 中粘流体在复杂表面上降膜流动的流动特性

2．2．1 多相流模型

2．2．2 湍流模型

2．3 数学模型

2．3．1 控制方程

2．3．2 动量源项的确定

2．3．3 传质源项的确定

2．3．4 边界及初始条件

2．4 复杂表面结构降膜流动的数学建模

2．4．1 物理模型

2．4．2 数学模型

2．4．3 网格划分及数值模拟方法

2．5 复杂表面结构降膜流动成膜性能的结果与讨论

2．5．1 模型验证

2．5．2 降膜流动状态

2．5．3 表面更新频率

2．5．4 膜表面拉伸过程

2．6 小结

第3章 高粘流体沿光滑管降膜流动的实验研究

3．1 引言

3．2 光滑管降膜流动实验装置的搭建

3．2．1 实验介质的选取

3．2．2 实验装置及流程

3．2．3 测量方法

3．3 光滑管降膜流动的数学建模

3．3．1 物理模型

3．3．2 数学模型

3．3．3 网格划分与数值模拟方法

3．4 光滑管降膜流动成膜特性的结果与讨论

3．4．1 有效成膜条件

3．4．2 降膜流动状态

3．4．3 降膜流量

3．4．4 成膜面积

3．4．5 降膜流动的计算模型

3．4．6 粘度与降膜流量对成膜特性的影响

3．5 光滑管降膜流动脱挥特性的结果与讨论

3．5．1 真空度对传质过程的影响

3．5．2 光滑管降膜脱挥特性数值模拟过程

3．5．3 粘度与阵膜流量对传质过程的影响

3．6 小结

第4章 高粘流体沿异型管降膜流动的实验及理论研究

4．1 引言

4．2 异型管的设计

4．2．1 菱形内构件

4．2．2 单锥形内构件

4．2．3 双锥形内构件

4．3 异型管降膜流动的数学建模

4．3．3 网格划分及数值模拟方法

4．4 异型管降膜流动成膜特性的结果与讨论

4．4．1 有效成膜条件

4．4．2 阵膜流动状态

4．4．3 成膜面积与成膜效率

4．5 异型管降膜流动表面更新特性的结果与讨论

4．5．1 降膜表面速度分布

4．5．2 不同异型管的表面更新频率的分布

4．6 异型管降膜流动脱挥特性的结果与讨论

4．6．1 粘度与液位高度对传质过程的影响

4．6．2 内构件结构对传质过程的影响

4．6．3 粘度与流量对传质过程的影响

4．7 小结

第5章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果