随机球填料旋转填充床内气液流动过程的CFD模拟研究
发布时间：2021-06-11 02:18
结合绿色化工技术的开发和研究,逐步消除环境污染成为化学工业未来发展的一个主要方向。化工过程强化技术以其减小设备占地面积、提高能源效率等优势在绿色化工生产中引起极大关注。近些年来,基于超重力技术设计的旋转填充床在传质和混合等过程中体现出显著的强化效果,在工业应用上显露出广阔的前景。随着计算水平和数值模型的发展,计算流体力学（CFD）技术成为了一种在分析详细流体流动信息、设计和优化设备内构件结构等方面具有巨大潜力的工具。本文结合前人的相关研究成果,采用了 CFD模拟、理论分析和实验方法三者相结合的思路,以随机球填料旋转填充床为研究对象,详细研究了旋转床内部气相、液相牛顿型和非牛顿型流体流动过程,为旋转填充床内构件的优化和操作参数的合理选择提供了理论指导。主要研究成果如下:（1）首次构建三维随机球填料旋转填充床CFD模型,球填料几何模型与真实填料结构高度吻合,使用Realizable k-ε湍动方程对床层内气相流场进行了模拟计算。结果表明旋转填充床总干床压降CFD模拟值和实验值误差在±20%以内;填料区分压降和气相切向速度随转速的增加而明显增加,而气量的增加主要导致气相径向速度和内外空腔区分...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２用于气液逆流体系的传统填充床（ａ）?ＰＢ和旋转填充床（ｂ）?ＲＰＢ结构示意图［１２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ?ｐａｃｋｅｄ?ｂｅｄ?（ａ）?ＰＢ?ａｎｄ?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ｐａｃｋｅｄ??
动模式、持液量、气液界面面积等，从而详细研宄内部液体流动行为是必要的。??前人己经进行了许多实验研宄以探索旋转床内的液体流动信息，通常此反应器整体结??构被分为外空腔区、填料区和内空腔区三部分，其中关于填料区的研宄最为丰富。高??速摄像机是在旋转床中最早和使用量较多的一种可视化测量液相流态的仪器，早在??１９９６年，Ｂｕｍｓ和Ｒａｍｓｈａｗ｜３４］使用高速相机拍摄出丝网填料旋转填充床中的液体流动??状态，观察到在不同操作条件下旋转床中存在三种液相流态，即液滴流，液膜流和孔??隙流，如图１－３所示，并通过在填料内边缘液体入口添加挡板的实验发现了填料区的??液体的局部分布不均现象，此现象在低转速下明显，在高转速下液体呈现放射状螺旋??流动状态，大大减小了液体的不均匀分布。Ｇｕｏ等［３５］使用与转子同步旋转的高速摄像??机观测了丝网填料旋转床的液体流动状况，发现大多数是覆盖填料表面的液膜流动，??且在填料区入口处几毫米内液体存在两个不同的流动方向，如图１－４所示夹角贫．ｆｔ??方向。Ｓａｎｇ等［３６］借助高速摄像机观察到旋转床空腔区的两种主要的液体流型，即液??线流和液滴流（图１－５），并且发现在填料外缘处液滴和液膜会继续断裂呈现出不同的??断裂形态，在图１－６中给出了清晰的展示。??ｍｍｍ??Ｐｃｗｔ！?Ｆｌｏｗ?Ｄｒｏｐｌｅｔ?Ｆｌｏｗ?Ｆｉｌｍ?Ｆｌｏｗ??Ｐａｃｋｉｎｇ??Ｌｉｑｕｉｄ??图１－３液体在旋转填充床中的三种流动状态［３４１??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｔｈｒｅｅ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ?ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｗｉｔｈｉｎ?ＲＰＢ１＇４１??６??
?第一章绪论???Ｈｏｚｒｉｅ?ｓｐｒａｙｉｎｇ?????Ｐａｃｋｉｎｇ?ｍｏｖｉｎｇ?：?＼?ｙ??ｅ２?／??Ｉ?Ａ?９，?ｆ??图１－４进入旋转床填料区液体的流动方向角［３５］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｄｉｓｐｌａｙｅｄ?ｌｉｑｕｉｄ?ｆｌｏｗ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐａｃｋｉｎｇ?ｚｏｎｅ?ｏｆ?ＲＰＢ，３５］??ｒ?…??⑷?（ｂ）??图１－５空腔区液体流型［３６】：（＆）及＝０．１０２５?１１１，７＾＝３０〇１＊／１１１）１１，吻＝１．９６５！１１／５，／／＝１．１２｜１１？３５，＾７＝７３．１］??ｍＮ／ｍ；?（ｂ）?／？＝０．１０２５?ｍ，?Ａ＾＝７００?ｒ／ｍｉｎ，?ｗ〇＝１．９６５ｍ／ｓ，?／／＝１．１２ｍＰａｓ，?＜ｊ＝７３．１１ｍＮ／ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ?ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｃａｖｉｔｙ?ｚｏｎｅ１３６１：?（ａ）?Ｒ＝０Ａ０２５?ｍ，?Ｎ＝３００?ｒ／ｍｉｎ，??＾＝１．９６５?ｍ／ｓ，／＾＝１．１２ｍＰａｓ，ｃｒ＝７３．１１ｍＮ／ｍ；（ｂ）／？＝０．１０２５?ｍ，７Ｖ＝７００ｒ／ｍｉｎ，Ｗ（ｐｌ．９６５ｍ／ｓ，／／＝１．１２??ｍＰａ?ｓ，?ｃｒ＝７３．１１?ｍＮ／ｍ??ｖ．丨由??＿??ＨＨＨ??图ｌ－６填料外缘处液体的断裂形态Ｍｌ??Ｆｉｇｕｒｅ?１－６?Ｌｉｑｕｉｄ?ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ?ｍｏｄｅｓ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｏｕｔｅｒｍｏｓｔ?ｐａｃｋｉｎｇ?ｌａｙｅｒ｜３６］??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转填充床中湿法脱硝的研究[J]. 高文雷,曾泽泉,陈建铭,陈建峰,邵磊. 高校化学工程学报. 2014(05)
[2]化学工程:从基础研究到工业应用[J]. 孙宏伟,张国俊. 中国科学:化学. 2014(09)
[3]超重力尿素湿法烟气脱硝技术的研究[J]. 杨晖,陈建铭,宋云华. 北京化工大学学报(自然科学版). 2012(01)
[4]超重力技术在硫酸尾气脱硫中的工业化应用[J]. 王柏林,袁纪文. 硫酸工业. 2011(05)
[5]三角形螺旋填料旋转床气相压降的数值模拟[J]. 吴祖钰,阮奇,凡书杰,严佐毅,刘国伟. 计算机与应用化学. 2011(06)
[6]我国化工过程强化技术理论与应用研究进展[J]. 孙宏伟,陈建峰. 化工进展. 2011(01)
[7]超重力技术应用于萃取结晶回收碳酸钠的研究[J]. 潘红霞,刘有智,祁贵生,王张卿. 现代化工. 2010(11)
[8]超重力精馏技术及其产业化应用[J]. 王广全,徐之超,俞云良,计建炳. 现代化工. 2010(S1)
[9]金属断口SEM图像三维重建模型及实现研究[J]. 陈亨利,康戈文,任文伟. 计算机应用研究. 2008(02)
[10]超重力法吹脱氨氮废水技术应用研究[J]. 祁贵生,刘有智,王建伟,焦纬洲. 煤化工. 2007(01)
硕士论文
[1]吹脱—超重力法处理高浓度氨氮废水的试验研究与应用[D]. 罗军.华东交通大学 2016
[2]超重力共沉淀法制备CuO/ZnO/Al2O3催化剂的研究[D]. 侯晋.北京化工大学 2008
本文编号：3223602
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２用于气液逆流体系的传统填充床（ａ）?ＰＢ和旋转填充床（ｂ）?ＲＰＢ结构示意图［１２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ?ｐａｃｋｅｄ?ｂｅｄ?（ａ）?ＰＢ?ａｎｄ?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ｐａｃｋｅｄ??
动模式、持液量、气液界面面积等，从而详细研宄内部液体流动行为是必要的。??前人己经进行了许多实验研宄以探索旋转床内的液体流动信息，通常此反应器整体结??构被分为外空腔区、填料区和内空腔区三部分，其中关于填料区的研宄最为丰富。高??速摄像机是在旋转床中最早和使用量较多的一种可视化测量液相流态的仪器，早在??１９９６年，Ｂｕｍｓ和Ｒａｍｓｈａｗ｜３４］使用高速相机拍摄出丝网填料旋转填充床中的液体流动??状态，观察到在不同操作条件下旋转床中存在三种液相流态，即液滴流，液膜流和孔??隙流，如图１－３所示，并通过在填料内边缘液体入口添加挡板的实验发现了填料区的??液体的局部分布不均现象，此现象在低转速下明显，在高转速下液体呈现放射状螺旋??流动状态，大大减小了液体的不均匀分布。Ｇｕｏ等［３５］使用与转子同步旋转的高速摄像??机观测了丝网填料旋转床的液体流动状况，发现大多数是覆盖填料表面的液膜流动，??且在填料区入口处几毫米内液体存在两个不同的流动方向，如图１－４所示夹角贫．ｆｔ??方向。Ｓａｎｇ等［３６］借助高速摄像机观察到旋转床空腔区的两种主要的液体流型，即液??线流和液滴流（图１－５），并且发现在填料外缘处液滴和液膜会继续断裂呈现出不同的??断裂形态，在图１－６中给出了清晰的展示。??ｍｍｍ??Ｐｃｗｔ！?Ｆｌｏｗ?Ｄｒｏｐｌｅｔ?Ｆｌｏｗ?Ｆｉｌｍ?Ｆｌｏｗ??Ｐａｃｋｉｎｇ??Ｌｉｑｕｉｄ??图１－３液体在旋转填充床中的三种流动状态［３４１??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｔｈｒｅｅ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ?ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｗｉｔｈｉｎ?ＲＰＢ１＇４１??６??
?第一章绪论???Ｈｏｚｒｉｅ?ｓｐｒａｙｉｎｇ?????Ｐａｃｋｉｎｇ?ｍｏｖｉｎｇ?：?＼?ｙ??ｅ２?／??Ｉ?Ａ?９，?ｆ??图１－４进入旋转床填料区液体的流动方向角［３５］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｄｉｓｐｌａｙｅｄ?ｌｉｑｕｉｄ?ｆｌｏｗ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐａｃｋｉｎｇ?ｚｏｎｅ?ｏｆ?ＲＰＢ，３５］??ｒ?…??⑷?（ｂ）??图１－５空腔区液体流型［３６】：（＆）及＝０．１０２５?１１１，７＾＝３０〇１＊／１１１）１１，吻＝１．９６５！１１／５，／／＝１．１２｜１１？３５，＾７＝７３．１］??ｍＮ／ｍ；?（ｂ）?／？＝０．１０２５?ｍ，?Ａ＾＝７００?ｒ／ｍｉｎ，?ｗ〇＝１．９６５ｍ／ｓ，?／／＝１．１２ｍＰａｓ，?＜ｊ＝７３．１１ｍＮ／ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ?ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｃａｖｉｔｙ?ｚｏｎｅ１３６１：?（ａ）?Ｒ＝０Ａ０２５?ｍ，?Ｎ＝３００?ｒ／ｍｉｎ，??＾＝１．９６５?ｍ／ｓ，／＾＝１．１２ｍＰａｓ，ｃｒ＝７３．１１ｍＮ／ｍ；（ｂ）／？＝０．１０２５?ｍ，７Ｖ＝７００ｒ／ｍｉｎ，Ｗ（ｐｌ．９６５ｍ／ｓ，／／＝１．１２??ｍＰａ?ｓ，?ｃｒ＝７３．１１?ｍＮ／ｍ??ｖ．丨由??＿??ＨＨＨ??图ｌ－６填料外缘处液体的断裂形态Ｍｌ??Ｆｉｇｕｒｅ?１－６?Ｌｉｑｕｉｄ?ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ?ｍｏｄｅｓ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｏｕｔｅｒｍｏｓｔ?ｐａｃｋｉｎｇ?ｌａｙｅｒ｜３６］??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转填充床中湿法脱硝的研究[J]. 高文雷,曾泽泉,陈建铭,陈建峰,邵磊. 高校化学工程学报. 2014(05)
[2]化学工程:从基础研究到工业应用[J]. 孙宏伟,张国俊. 中国科学:化学. 2014(09)
[3]超重力尿素湿法烟气脱硝技术的研究[J]. 杨晖,陈建铭,宋云华. 北京化工大学学报(自然科学版). 2012(01)
[4]超重力技术在硫酸尾气脱硫中的工业化应用[J]. 王柏林,袁纪文. 硫酸工业. 2011(05)
[5]三角形螺旋填料旋转床气相压降的数值模拟[J]. 吴祖钰,阮奇,凡书杰,严佐毅,刘国伟. 计算机与应用化学. 2011(06)
[6]我国化工过程强化技术理论与应用研究进展[J]. 孙宏伟,陈建峰. 化工进展. 2011(01)
[7]超重力技术应用于萃取结晶回收碳酸钠的研究[J]. 潘红霞,刘有智,祁贵生,王张卿. 现代化工. 2010(11)
[8]超重力精馏技术及其产业化应用[J]. 王广全,徐之超,俞云良,计建炳. 现代化工. 2010(S1)
[9]金属断口SEM图像三维重建模型及实现研究[J]. 陈亨利,康戈文,任文伟. 计算机应用研究. 2008(02)
[10]超重力法吹脱氨氮废水技术应用研究[J]. 祁贵生,刘有智,王建伟,焦纬洲. 煤化工. 2007(01)
硕士论文
[1]吹脱—超重力法处理高浓度氨氮废水的试验研究与应用[D]. 罗军.华东交通大学 2016
[2]超重力共沉淀法制备CuO/ZnO/Al2O3催化剂的研究[D]. 侯晋.北京化工大学 2008
本文编号：3223602
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3223602.html
