新型WPA填料的流体力学和传质性能研究及CFD模拟

摘要

规整填料塔由于压降低、操作弹性大、传质效率高等优点，广泛应用于化工生产过程中。作为重要的传质分离设备，其性能的好坏对整个工艺的稳定性、过程能耗、产品纯度以及环境都有直接的影响。在不断追求产品质量及能源利用率的需求下，开发低能耗、高效率的填料是填料塔研究的重点。本文在前人研究的基础上，以提高填料的通量、传质性能为目的，设计开发了一种新型规整填料—WPA(wavelike polyline arc)填料。实验研究了新填料的流体力学及传质性能，并利用CFD(Computational FluidDynamic，计算流体力学)方法着重研究了填料表面波纹结构对流体力学及传质的影响。主要工作和结果如下: 1、根据填料中流体的流动机理，设计开发了WPA填料。根据Deflt模型中压降产生的原因，该填料对上下两端板波纹做了垂直处理，降低流体在填料层之间由于方向突变而产生的压降。同时为了提高传质效率，WPA填料的中段部分为直线与圆弧相结合的结构，多段线结构使气液湍动程度增加，液膜表面更新加快，传质推动力增加。 2、在Φ500mm的填料塔内，采用空气-水体系研究了四种不同比表面积WPA填料的流体力学性能与传质性能。结果表明，在相同的气液负荷下，WPA填料的压降及传质效率均随着比表面积的增加而增大，操作弹性随着比表面积的增加而减小。并对WPA填料的流体力学与传质性能实验数据进行了关联拟合。 3、为了验证填料结构对性能的影响，在相同的实验条件下WPA125填料与传统Mellapak125X填料进行了对比。结果表明:与Mellapak125X填料相比，WPA125填料的干塔压降平均降低了30％左右，湿塔压降降低了20％～40％，随着喷淋密度的增加，降低幅度逐渐增大;WPA125的液泛气速平均提高了12％。在较小喷淋密度16.87m3/(m2·h)≤L≤22.49m3/(m2·h)范围内，WPA125填料的传质效率在整个测试气速范围内均高于Mellapak125X填料的传质效率;而在喷淋密度28.11m3/(m2·h)≤L≤50.60m3/(m2h)范围内，较低气速时，WPA125填料与Mellapak125X填料的传质效率基本相等，随着气速的增加，WPA125填料的传质效率逐渐高于Mellapak125X填料的传质效率。 4、利用CFD模拟方法，首次把填料表面波纹结构对液膜厚度、有效相界面积的影响与持液量、全塔压降联系起来。分别建立了光滑板与波纹板局部的2D、3D物理模型，以VOF模型为基础，模拟计算得到了光滑板与波纹板在不同气液速度下的平均液膜厚度、有效相界面积与持液量;在全塔物理模型中，利用多孔介质模型模拟得到了全塔压降。结果表明，由于在波纹板波谷处出现液体累积，平均液膜厚度与持液量的值明显高于光滑板上的值。同时液体在波纹板上出现横向扩散，波纹板有效相界面积比光滑板有所增加，但有效相界面积在两种板上的差异不如平均液膜厚度与持液量在两种板上的差异明显。湿塔压降模拟结果表明两种板的模拟值与实验值误差都在10％左右，吻合性较高。同时对光滑板模拟值与波纹板实验值进行了对比，误差在20％左右。在物理建模过程中，需根据研究重点，选择是否忽略填料表面的波纹结构。 5、在二维流场基础上，建立了气液两相二维传质CFD模型，给出了传质源项表达式。通过流场分析，验证了WPA填料结构有利于提高填料的传质效率。同时研究了光滑板与波纹板的传质，结果显示，在低液量下，波纹板的传质效率比光滑板提高了20％左右，而在高液量下，传质效率仅高5％左右，与HETP实验值趋势相同。在进行传质CFD模拟时，不能简单的把填料表面处理成平面，尤其是在喷淋密度较小的范围内。 6、建立了WPA填料的干、湿塔压降数学模型。干塔压降模型充分考虑折线结构影响，引入了形状因子，模型计算值与实验值误差在5％之内。湿塔压降模型基于Delft模型，与本文的CFD模拟结果相结合，对Delft模型进行修正简化，模型计算值与实验值误差在10％左右。验证了模型的普适性，把建立的湿塔压降模型应用于文献中的填料，计算值与实验值误差也在10％之内。该模型可为新填料的设计提供理论依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章文献综述

1．1填料发展概述

1．1．1散堆填料

1．1．2规整填料

1．2流体力学性能研究

1．2．1液泛气速

1．2．2压降模型

1．2．3持液量

1．3填料的传质性能

1．3．1有效相界面积

1．3．2填料传质动力学参数

1．4计算流体力学在填料研究中的应用

1．4．1整体平均CFD模型

1．4．2单元综合CFD模型

1．4．3多尺度模型

1．5本文的工作意义及创新

1．5．1课题意义

1．5．2研究内容与创新

第二章WPA填料的流体力学与传质性能实验研究

1新型填料的开发

2．1．1设计思路

2．1．2新型填料的几何特性

2．2实验条件

2．3实验装置流程

2．3．1流体力学性能测试

2．3．2传质性能测试

2．4 WPA填料的流体力学性能分析

2．4．1干塔压降

2．4．2湿塔压降

2．4．3液泛气速

2．5填料的传质性能

2．5．1等板高度

2．5．2传质系数

2．6小结

第三章填料流体力学CFD模拟

3．1 WPA填料的物理模型

3．2数学模型

3．2．1控制方程

3．2．2源项的确定

3．2．3边界及初始条件

3．2．4网格的划分

3．2．5数值计算方法

3．3模拟结果与讨论

3．3．1干塔压降

3．3．2表面波纹对液膜的影响

3．3．3表面波纹对有效相界面积的影响

3．3．4表面波纹对持液量的影响

3．3．5湿塔压降模拟结果

3．4小结

第四章二维传质CFD模拟研究

4．1二维传质模型

4．1．1物理模型

4．1．2数学模型

4．1．3初始条件

4．1．4边界条件

4．1．5模拟策略

4．2传质源项的验证

4．3结果与讨论

4．4小结

第五章规整填料压降模型的建立

5．1干塔压降模型

5．1．1模型建立

5．1．2模型推导

5．1．3模型计算

5．2湿塔压降模型

5．2．1模型建立

5．2．2模型计算

5．2．3湿塔压降模型应用于文献中其他填料

5．3小结

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

导师和作者简介

附录