分段进液式旋转填充床气相CFD模拟及传质研究

摘要

旋转填充床式作为超重力技术的核心装备，可以实现分子混合与传质过程的强化，在工业领域已经得到了广泛应用。作为一种新型旋转填充床，分段进液式旋转填充床(Multi-liquid-inlet Rotating Packed Bed，简称MLI-RPB)由三段同心环形填料构成，从而制造出多个端效应区得以强化气液传质。前人研究发现分段进液式旋转填充床对液膜控制体系的传质效果有所提升，但对气膜控制体系的传质影响尚未有人研究。
　　本课题中，传质实验采用SO2-NaOH体系作为气膜控制体系，考察了不同操作条件对分段进液式旋转填充床的气相传质性能的影响;采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）对MLI-RPB内部的气相流动和内构件对气相湍动的影响进行模拟计算与分析，最终通过传质实验对内构件的设计优化进行了验证。为分段进液式旋转填充床的结构优化提供了方法和依据。主要研究成果如下:
　　(1)以SO2-NaOH为实验体系，分别研究了在不同转速、气量、液量以及不同进液方式时，分段进液式旋转填充床气相传质性能的变化规律。气相体积传质系数均随着转速、气量、液量的增大而增大，且当进液总量一定时，气相体积传质系数随着进液段数的增多而增大。在相同操作条件下，对比分段进液式旋转填充床与转子体积相同的传统旋转填充床的传质性能。结果表明，分段进液式旋转填充床相比于传统旋转填充床，气相体积传质系数提高20％左右。
　　(2)以CFD模拟为工具，建立了针对分段进液式旋转填充床气相流场模拟的方法。构建了颇为真实的分段进液式旋转填充床三维物理模型，采用多孔介质模型描述填料区。对比研究发现，Realizable k-ε湍流方程比standard k-ε湍流方程更适用于MLI-RPB内部气相流场模拟。压降模拟值与实验值误差在±15％以内，验证了模型的正确性与模拟方法的可靠性。
　　(3)模拟分析了不同内构件对分段进液式旋转填充床气相流动的影响规律，发现五种结构内构件对分段进液式旋转填充床的影响主要集中在环形填料间隙，由于内构件的存在会形成很多旋涡并且增强了气相湍动。进一步定量分析发现:在五种不同径向夹角的内构件组合中，湍动能可提高20％-80％，其中3号组合即(+60°、-60°)结构对填料间空腔气相扰动最大，同时压降增大较小。并通过SO2-NaOH体系传质实验对内构件设计进行对比分析，选取无内构件与径向夹角(0°、0°)、(+60°、-60°)两种典型结构组合进行传质实验，结果表明通过设置内构件可以使气相传质系数提高10％-20％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 旋转填充床的介绍

1．2．1 旋转填充床来源

1．2．2 旋转填充床的结构

1．2．3 旋转填充床的特点

1．3 旋转填充床的基础研究进展

1．3．1 旋转填充床气相压降的研究

1．3．2 旋转填充床的传质过程研究

1．3．3 旋转填充床端效应区研究

1．3．4 旋转填充床的内部结构研究

1．4 计算流体力学简介

1．4．1 CFD的基本方程

1．4．2 CFD的湍流模型和算法

1．4．3 CFD商业软件

1．4．4 CFD在旋转填充床中的应用

1．5 本论文研究的意义与内容

1．5．1 本论文研究的意义

1．5．2 本论文研究的内容

第二章 分段进液式旋转填充床气膜控制体系传质性能研究

2．1 引言

2．2 实验设备与实验体系

2．2．1 分段进液式旋转填充床

2．1．2 气膜控制传质体系

2．2 实验流程

2．3 实验原理及计算方法

2．4 转子转速对分段进液式旋转填充床kga的影响

2．5 气体流量对分段进液式旋转填充床kga的影响

2．6 液体流量对分段进液式旋转填充床kga的影响

2．7 进液方式对分段进液式旋转填充床kga的影响

2．8 分段进液式旋转填充床与传统旋转填充床的kga对比

2．9 本章小结

第三章 分段进液式旋转填充床CFD模拟方法与验证

3．1 引言

3．2 分段进液式旋转填充床几何模型构建

3．2．1 丝网填料等效三维多孔介质模型的构建

3．2．2 流体域模型的构建

3．3 网格划分

3．4 湍流模型的选择

3．5 边界条件

3．6 计算方法

3．7 模拟方法可靠性检验

3．7．1 分段进液式旋转填充床压降实验

3．7．2 干床压降模拟结果与实验数据对比

3．7．3 CFD模拟结果初步分析

3．8 本章小结

第四章 分段进液式旋转填充床内构件优化

4．1 引言

4．2 内构件的设计

4．3 带有不同内构件的分段进液式旋转填充床的流体域模型构建

4．4 计算模型选择与边界条件参数设置

4．5 模拟结果定性分析

4．6 模拟结果定量分析

4．7 最优结构扰流件模拟结果与气相传质性能的相关性对比

4．8 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

作者和导师简介