降膜流动的强化与气液传质的研究

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气液两相降膜流动是过程工业中常见的流动现象,广泛应用于精馏、吸收等操作中。不同的降膜流动结构会导致不同的传质效率,如何优化降膜流动结构进而提高气液传质效率是本论文的研究重点。首先,提出了双面传质降膜流动的概念,对双面传质降膜流动的传递现象进行了理论和实验研究。传质实验显示通过在不锈钢板上开设长方形的窄孔可以有效提高传质效率。与普通平板结构相比,开孔板降膜流动结构使传质效率提高了1020%。为了分析液膜流动的细节及其与传质效率的关系,建立了基于VOF方法的计算流体力学(CFD)模型,模型中特别考虑了传质引起Marangoni效应的影响。与实验结果的对比表明所建立的模型能够比较准确地模拟开孔平板上的降膜流动与传质现象。其次,提出了一种多折板降膜流动结构,并进行了异丙醇解吸实验和二氧化碳的吸收,在此基础上对该流动结构下的流动与传质细节进行了比较深入的理论研究。实验数据说明,在本文的实验条件下,多折板降膜流动结构与普通平板降膜流动相比能够提高传质效率50%以上。建立二维计算模型对上述两种过程进行了模拟,分析了多折板降膜流动结构促进传质的原因。模型中,考虑到液膜流动在复杂结构(多折板)和高雷诺数(湍流)条件下的不稳定性,采用mixture方法描述两相流动行为,并考虑了涡流扩散对传质的影响。模拟结果与实验值吻合较好。最后,针对CO2吸收填料的开发,研究了填料片表面润湿性能变化对CO2吸收传质过程的影响。采用实验和和模拟的手段研究了CO2吸收液在不同材料平板上的降膜流动和气液传质行为。通过采用两种不同材料的平板,(Ⅰ)丝网板和(Ⅱ)光滑平板进行了CO2的吸收实验,建立了描述该吸收过程的计算流体力学模型。模拟和实验结果均表明,液固接触角越小,吸收效率越高。因此可以得出如下结论:改变接触角可以改变传质效率,低接触角对有利于气液传质。
中文摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 文献综述第9-25页
    1.1 填料片表面的降膜流动第9-15页
        1.1.1 降膜流动过程理论研究进展第10-11页
        1.1.2 降膜流动过程实验研究进展第11-12页
        1.1.3 降膜流动过程的数值模拟方法第12-15页
    1.2 填料片结构变化对传质的影响第15-23页
        1.2.1 散堆填料第16-17页
        1.2.2 规整填料第17-20页
        1.2.3 其它结构的塔内件第20-23页
    1.3 填料在二氧化碳吸收过程中的应用第23-25页
第二章 开孔填料片表面的降膜流动及其对传质过程的影响第25-46页
    2.1 实验设备及实验流程第25-28页
    2.2 开孔结构上的降膜流动传质模型第28-38页
        2.2.1 数学模型第28-32页
        2.2.2 边界条件和初始条件第32-34页
        2.2.3 网格划分第34-36页
        2.2.4 数值求算方法第36页
        2.2.5 几何重构方案第36-38页
    2.3 结果与讨论第38-45页
        2.3.1 模型验证第38-39页
        2.3.2 液膜的传质过程第39-41页
        2.3.3 液膜的流动方式第41-45页
    2.4 小结第45-46页
第三章 开窗导流填料片表面的降膜流动及其对传质过程的影响第46-67页
    3.1 液膜在开窗导流填料片上的流动第46-48页
    3.2 多折板降膜流动结构对异丙醇解吸过程的影响第48-58页
        3.2.1 多折板降膜流动结构对解吸过程的促进作用第48-50页
            3.2.1.1 多折板降膜流动结构对不同浓度异丙醇的解吸效果第48-49页
            3.2.1.2 多折板降膜流动结构对不同气相流率的解吸效果第49-50页
            3.2.1.3 多折板降膜流动结构对不同液相流率的解吸效果第50页
        3.2.2 异丙醇解吸过程的数值模拟第50-55页
            3.2.2.1 多折板降膜流动结构的网格划分第50-53页
            3.2.2.2 边界条件和初始条件第53-54页
            3.2.2.3 数值求算方法第54-55页
        3.2.3 异丙醇解吸过程模拟结果讨论第55-58页
    3.3 多折板降膜流动结构上水对二氧化碳的吸收第58-66页
        3.3.1 实验流程第58-59页
        3.3.2 数学模型第59-60页
        3.3.3 边界条件和初始条件第60-61页
        3.3.4 数值求算方法第61-62页
        3.3.5 多折板降膜流动结构细节分析第62-64页
        3.3.6 CO_2 吸收效果第64-66页
    3.4 小结第66-67页
第四章填料表面润湿性对液膜流动和传质过程的影响第67-94页
    4.1 实验设备及实验流程第67-69页
    4.2 液膜物理性质的测量第69-74页
        4.2.1 接触角的测量第70-73页
        4.2.2 表面张力的测量第73-74页
    4.3 数学模型第74-81页
        4.3.1 CO_2-MEA 反应第74页
        4.3.2 控制方程:第74-76页
        4.3.3 CO_2 吸收源项第76-77页
        4.3.4 边界条件和初始化条件第77-80页
        4.3.5 网格划分第80-81页
        4.3.6 数值求算方法第81页
    4.4 结果与讨论第81-93页
        4.4.1 吸收传质对液膜流动行为的影响第82-83页
        4.4.2 液膜在不同材质填料片表面的润湿性能和持液量第83-84页
        4.4.3 润湿性不同对液膜流动行为的影响第84-91页
        4.4.4 润湿性不同对CO_2 吸收效率的影响第91-93页
    4.5 小结第93-94页
第五章 结论与展望第94-96页
    5.1 结论第94-95页
    5.2 展望第95-96页
符号说明第96-99页
参考文献第99-109页
发表论文和参加科研情况说明第109-110页
致谢第110页
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