多相液膜流動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)建模與驗(yàn)證.pdf

1、規(guī)整填料塔分離效率的預(yù)測(cè)是提高該單元操作經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)關(guān)鍵。影響塔效率的因素是多尺度的,既包括宏觀的操作變量如進(jìn)料量、進(jìn)料成分、塔內(nèi)壓強(qiáng)與溫度等,也包含了微觀的液相局部流態(tài)與分布。尤其是在實(shí)際流程工業(yè)中,難以避免的會(huì)出現(xiàn)汽-液-液三相精餾,液相間的相互影響使得液相的流動(dòng)形態(tài)呈現(xiàn)多樣性和隨機(jī)性,從而使塔的分離效率也呈現(xiàn)很大的不確定性。因此,有必要從微觀尺度上來研究流體的流動(dòng)形態(tài)及影響塔效率的相關(guān)因素。
　　 從控制和操作角度講,為

2、提高規(guī)整填料塔的分離效率,就必須增加氣液傳質(zhì)面積和停留時(shí)間。已經(jīng)知道,在精餾過程中當(dāng)液相以封閉液膜方式流動(dòng)時(shí),氣液相間的接觸面積是最大的。為此,就需要找出影響封閉液膜流動(dòng)的因素。而這也正是本文的研究重點(diǎn)之一。
　　 由于規(guī)整填料塔內(nèi)液相流動(dòng)形態(tài)的改變往往只發(fā)生在幾英寸大小的填料片上,所以本文以簡(jiǎn)化的規(guī)整填料片(傾斜板)為對(duì)象,采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法對(duì)傾斜板上的局

3、部氣-液、氣-液-液流動(dòng)進(jìn)行了三維建模與仿真,通過對(duì)流體流動(dòng)特點(diǎn)的研究來尋找影響其流動(dòng)形態(tài)的主要因素。研究結(jié)果表明,對(duì)氣-液流動(dòng)而言,影響封閉液膜流動(dòng)的因素包括液相負(fù)載、液相表面張力(包括接觸角的影響)以及氣液逆流時(shí)的相間曳力。這幾個(gè)因素相互耦合,相互制約:液相負(fù)載越大,盡管可以使液相以封閉液膜方式流動(dòng),但液相的流速也會(huì)相應(yīng)變大,從而會(huì)使得氣液相間的接觸時(shí)間減?。幌嚅g曳力越大,盡管可以減小液相的流動(dòng)速度,但會(huì)使低液體負(fù)載區(qū)產(chǎn)生液泛,所以

4、通氣量又必須與液相負(fù)載量相對(duì)應(yīng)；表面張力越小(接觸角越小),可以使液相以封閉液膜方式流動(dòng),但液相越不穩(wěn)定,受曳力影響越明顯,甚至?xí)a(chǎn)生液泛、夾帶。對(duì)氣-液-液流動(dòng)而言,除了上面的影響因素外,液相的進(jìn)料次序也是影響其流動(dòng)形態(tài)的一個(gè)重要因素。這些影響因素的研究,對(duì)規(guī)整填料塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)、過程控制提供了直接的理論指導(dǎo)。
　　 本文是以遞進(jìn)方式進(jìn)行研究的,論文的主要研究結(jié)果包括:
　　 1.基于CFD的流體體積法(Volume o

5、f Fluid,VOF),并結(jié)合Brackbill提出的連續(xù)表面力方法(Continnum Surface Force,CSF),對(duì)傾斜板上的單液相流動(dòng)(氣-液兩相流)進(jìn)行三維建模與仿真。研究了傾斜板上單液相的流動(dòng)形態(tài),包括封閉液膜流動(dòng)、液膜破裂及溪流和滴流的形成,并指出液相負(fù)載及表面張力(包括接觸角)對(duì)液相流動(dòng)形態(tài)的影響。另一方面,也開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,來確定模型參數(shù)、驗(yàn)證模型的有效性。
　　 2.利用壓力降模型,將氣-液逆

6、流下的相間曳力引入到VOF模型中,從而建立了氣-液兩相逆流下的數(shù)學(xué)模型。采用該改進(jìn)的模型,對(duì)逆流操作下、傾斜板上的單液相流動(dòng)進(jìn)行了三維仿真,研究了逆向氣流對(duì)板上的封閉液膜流動(dòng)及溪流流動(dòng)的影響,并指出當(dāng)前的最大有效氣速(uge=5.0m/s)下,可減小水相的流動(dòng)速度且保證其流動(dòng)形態(tài)不發(fā)生變化,從傳質(zhì)傳熱角度講,是有利的。另外,也給出了與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,從而驗(yàn)證該改進(jìn)模型的可行性。
　　 3.在改進(jìn)的VOF模型基礎(chǔ)上初步建立了

7、逆流操作下的氣-液兩相吸收傳質(zhì)模型。采用該吸收傳質(zhì)模型,研究了垂直光滑平板上、封閉液膜的瞬態(tài)流體力學(xué)參數(shù)與傳質(zhì)的特點(diǎn)。研究結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)觀察定性一致。另外,也開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),通過測(cè)量和分析出口處的濃度來驗(yàn)證該吸收傳質(zhì)模型是有效的。
　　 4.將確定參數(shù)的VOF模型進(jìn)行擴(kuò)展,對(duì)傾斜板上的氣-液-液三相流體流動(dòng)進(jìn)行了三維建模與仿真,研究了互不相溶的兩液相并流情況下的流動(dòng)形態(tài)與特點(diǎn)。研究結(jié)果表明,互不相溶的多液相流動(dòng)是集合了溪流

8、、滴流和封閉液膜流動(dòng)的復(fù)雜流動(dòng):一液相以近似封閉液膜狀流動(dòng),而另一液相則以溪流或滴流的方式流動(dòng)；兩液相中不同的進(jìn)料次序可得到不同的流動(dòng)形態(tài),有可能會(huì)導(dǎo)致夾帶的產(chǎn)生；對(duì)近似封閉液膜相而言,第二個(gè)液相的引入可降低封閉液膜相的流動(dòng)速度。另外,也開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,通過圖形與參數(shù)的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比,從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度來驗(yàn)證該擴(kuò)展模型是可行的。
　　 5.將改進(jìn)的VOF模型進(jìn)行擴(kuò)展,通過與壓力降模型的結(jié)合,建立了逆流操作下的氣-液-液三