旋轉(zhuǎn)填充床流體流動(dòng)可視化與傳質(zhì)模型研究.pdf

1、化學(xué)工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)提供了大量的化學(xué)品和基礎(chǔ)材料，同時(shí)也產(chǎn)生廢水、廢氣等有害污染物質(zhì)，嚴(yán)重制約著我國(guó)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；どa(chǎn)過(guò)程清潔、節(jié)能降耗一直是科學(xué)家和工程師們的目標(biāo)，作為化工過(guò)程強(qiáng)化裝備的旋轉(zhuǎn)填充床的研究與工業(yè)應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
　　旋轉(zhuǎn)填充床的多孔填料可以將液體切割成細(xì)小的液滴和液膜，氣液接觸面積急劇增大，具有優(yōu)異的質(zhì)量傳遞和微觀分子混合性能。端效應(yīng)區(qū)是旋轉(zhuǎn)填充床填料內(nèi)

2、緣處傳質(zhì)和混合最劇烈的區(qū)域，根據(jù)端效應(yīng)區(qū)的特征，旋轉(zhuǎn)填充床的傳質(zhì)被劃分為端效應(yīng)區(qū)、填料主體區(qū)和空腔區(qū)，簡(jiǎn)稱“三區(qū)”。然而，由于旋轉(zhuǎn)填充床中流體運(yùn)動(dòng)速度較快不易觀測(cè)，導(dǎo)致其各區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)形態(tài)及尺寸的研究還不系統(tǒng)。對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床傳質(zhì)有重要影響的空腔區(qū)及端效應(yīng)區(qū)的傳質(zhì)研究還有待加強(qiáng)，這些流體流動(dòng)和傳質(zhì)等基礎(chǔ)研究的滯后均阻礙了旋轉(zhuǎn)填充床的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工業(yè)應(yīng)用。
　　本文首先采用高速攝像技術(shù)對(duì)空腔區(qū)流體流動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)空腔區(qū)傳質(zhì)表面積

3、進(jìn)行模型化研究。通過(guò)概率計(jì)算劃分了端效應(yīng)區(qū)和填料主體區(qū)，建立了包含旋轉(zhuǎn)填充床的端效應(yīng)區(qū)、填料主體區(qū)和空腔區(qū)為傳質(zhì)過(guò)程的液相體積傳質(zhì)系數(shù)模型，即三區(qū)液相傳質(zhì)模型。并結(jié)合氣相傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的影響，將三區(qū)傳質(zhì)模型用于單乙醇胺(MEA)吸收CO2過(guò)程的預(yù)測(cè)，可為旋轉(zhuǎn)填充床的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　1.利用高速攝像技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床空腔區(qū)內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，系統(tǒng)考察了轉(zhuǎn)速、液體體積流量、填料外半徑、液

4、體粘度和表面張力對(duì)空腔區(qū)流體流型、液滴平均直徑、液滴大小、尺寸分布及液滴平均速度的影響規(guī)律。結(jié)果表明:空腔區(qū)存在兩種典型的流型（液滴流和液線流）以及兩種液體斷裂方式（液線-液滴和液膜-液線-液滴），同時(shí)獲得不同操作條件下的液體流型轉(zhuǎn)變判據(jù);液滴平均直徑隨著轉(zhuǎn)速、填料外半徑和液體粘度的增加而減小，隨著液體表面張力的增大而略微增大，液體初始速度對(duì)液滴平均直徑的影響不大;液滴大小分布符合R-R分布，分布指數(shù)m范圍為4.47到9.43之間。液滴

5、平均合速度和徑向速度主要隨轉(zhuǎn)速和填料外半徑的增大而增大，受液體初始速度、液體粘度和表面張力的影響不大。通過(guò)量綱分析得到了液滴平均直徑和速度的關(guān)聯(lián)式，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差分別在±20％和±10％以內(nèi)。
　　2.基于空腔區(qū)流體流動(dòng)的可視化研究，發(fā)現(xiàn)空腔區(qū)的傳質(zhì)貢獻(xiàn)分為三部分，分別為母代液滴、器壁液膜和子代液滴，對(duì)上述三部分進(jìn)行模型化，建立空腔區(qū)總傳質(zhì)表面積模型。從模型結(jié)果可以看出，相比母代液滴的傳質(zhì)，器壁液膜和子代液滴的傳質(zhì)表面積對(duì)空腔

6、區(qū)總傳質(zhì)表面積貢獻(xiàn)最大。采用NaOH-CO2實(shí)驗(yàn)體系考察了轉(zhuǎn)速、液體初始速度和填料外半徑對(duì)空腔區(qū)傳質(zhì)表面積的影響，并與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，空腔區(qū)傳質(zhì)表面積預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值誤差在±20％以內(nèi)，說(shuō)明模型可較好的描述空腔區(qū)的傳質(zhì)表面積。
　　3.利用概率計(jì)算的方法得到端效應(yīng)區(qū)厚度，結(jié)合端效應(yīng)區(qū)厚度、以及前人對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床填料區(qū)流體流動(dòng)狀態(tài)和傳質(zhì)理論研究的結(jié)果，建立了包含端效應(yīng)區(qū)、填料主體區(qū)和空腔區(qū)的液相體積傳質(zhì)系數(shù)模型，即三區(qū)液相

7、傳質(zhì)模型，并通過(guò)NaOH-CO2化學(xué)吸收實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型值與實(shí)驗(yàn)值誤差在±15％以內(nèi)，說(shuō)明模型可以很好的預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)填充床的液相傳質(zhì)過(guò)程，為旋轉(zhuǎn)填充床的設(shè)計(jì)提供理論支撐。
　　4.基于三區(qū)液相傳質(zhì)模型，同時(shí)考慮氣相傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)的影響，將三區(qū)模型用于MEA-CO2吸收過(guò)程的預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，大部分實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值吻合良好，誤差在±20％以內(nèi)，CO2吸收率隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加先增大后略微減小，隨著液體體積流量和MEA濃度的增加而增大，隨