微通道内液—液传质与相分离模拟研究

发布时间：2017-06-17 09:26

  本文关键词：微通道内液—液传质与相分离模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微通道反应器由于尺寸效应而具有优越的传质传热性能,已经成为目前研究的重点课题。针对两相传质反应体系,快速相分离可以实现这些反应的基本要求,因此用微分离器进行相分离也逐渐受到研究者的青睐。本文采用VOF方法和界面捕捉法模拟了弯曲通道、双极T型以及扩张微通道充满两相液弹流的过程;以入口夹角为60°Y型微通道为模型,对通道内液弹内流场进行分析,证明了内循环的存在;考察了通道内两相流压降分布,分析了水相入口压力、液弹流速度、通道直径、壁面润湿性等对压强的影响;并研究了壁面剪应力的分布以及速度对剪应力的影响。然后根据压降平衡模型分析操作条件以及物性参数等对相分离性能的影响,包括液两相表观流速、两相流率比、支管长度比、润湿性能、表面张力等因素。并模拟了垂直T型和夹角为60°Y型相分配器液弹流平均分配过程。最后,采用CFD模拟的方法,使用FLUENT软件,利用UDF语言程序,模拟了微通道反应器中两相液弹流传质过程,并研究了反应对传质的强化过程。通过对Fluent模拟的结果进行后处理,结果表明:微通道内两相流压降随着速度的增大,直径的减小而增大。液弹流流率比、支管长度比、润湿性能、表面张力对相分离性能影响显著;两相流流率、通道直径、支管夹角对相分离性能无影响。本文采用界面固定模型模拟微通道内油水两相传质与反应过程。结果表明:增大流速、扩散系数及流量比、减小直径均促进传质系数增大。我们选用Hatta数判断反应的快慢,该反应为传质和反应共同控制。在水相中进行酯化反应加强了传质,我们用增强因子定量分析了反应加强传质的过程。本文将实验结果与模拟结果进行了比较,总体来说模拟结果与实验结果趋势一致,该模型能较好的模拟微通道内传质反应过程。最后我们还采用了充分发展模型考察了整个通道内水相中乙酸正丁酯的总浓度。
【关键词】：CFD 模拟 相分离 微反应器 液液传质
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ021.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文献综述10-27
• 1.1 引言10-11
• 1.2 微反应器概述11-14
• 1.2.1 微反应器定义11
• 1.2.2 微反应器分类11
• 1.2.3 微反应器的特点11-12
• 1.2.4 微反应器的构型12-13
• 1.2.5 常见的微通道几何构型13-14
• 1.2.5.1 微通道表面性质的影响13
• 1.2.5.2 微反应器的制造材料13-14
• 1.3 微反应器内液液两相流14-19
• 1.3.1 液液两相流型研究14-17
• 1.3.2 流型形成机理17-18
• 1.3.3 液液两相流型特点简介18-19
• 1.4 传质理论19-23
• 1.4.1 微流体力学的基本概念19-20
• 1.4.2 传质模型20-21
• 1.4.3 传质中用的几个准数[74]21-22
• 1.4.4 微通道的液液两相流的传质研究方法22-23
• 1.5 微通道内液液两相分离23-26
• 1.6 本论文的主要研究内容26-27
• 第二章 微通道两相流特性27-52
• 2.1 两相界面特性分析方法27-33
• 2.1.1 Young-Laplace方程27-29
• 2.1.2 表面张力和壁面粘附力29-30
• 2.1.3 Fluent的相关描述30-31
• 2.1.4 接触角特性31-33
• 2.2 微通道内液液两相流的流体力学模拟33-36
• 2.2.1 微混合器几何结构33-34
• 2.2.2 液液两相流数值模拟34
• 2.2.3 模型建立和网格划分34-35
• 2.2.4 控制方程35
• 2.2.5 边界条件35-36
• 2.2.6 求解方法36
• 2.3 计算结果与讨论36-50
• 2.3.1 网格大小对模拟结果的影响36-37
• 2.3.2 三种通道内液弹流形成和发展过程37-38
• 2.3.3 微通道内两相流速对流型的影响38-40
• 2.3.4 微通道内两相压强40-47
• 2.3.4.1 入口压力的变化41-42
• 2.3.4.2 液弹流速对微通道内压力的影响42-43
• 2.3.4.3 微通道内径对压力的影响43-44
• 2.3.4.4 微通道内壁面润湿性对压力的影响44-45
• 2.3.4.5 不同结构微通道压力比较45-47
• 2.3.5 剪应力47-49
• 2.3.6 液膜内速度的分布49-50
• 2.4 本章小结50-52
• 第三章 微通道两相分离52-77
• 3.1 微分离器几何结构建立和边界条件的确定52-54
• 3.1.1 几何结构的建立52-53
• 3.1.2 网格划分53
• 3.1.3 边界条件的设定53-54
• 3.2 数值求解方法，初始化以及迭代计算54
• 3.3 微通道两相分离机理54-56
• 3.4 模拟结果与分析56-70
• 3.4.1 数值模拟的可行性和准确性56
• 3.4.2 表观流速的影响56-58
• 3.4.3 流率比的影响58-62
• 3.4.4 壁面润湿性的影响62-64
• 3.4.5 支管角度的影响64-65
• 3.4.6 支管长度比例的影响65-67
• 3.4.7 内径的影响67-68
• 3.4.8 连续相粘度的影响68-69
• 3.4.9 界面张力的影响69-70
• 3.5 相分配过程70-71
• 3.6 两相液弹流分离压力分析71-75
• 3.7 本章小结75-77
• 第四章 微通道内液液两相传质模拟77-96
• 4.1 计算模型77-78
• 4.2 固定界面模型的计算区域与边界条件78-79
• 4.3 求解方法79-80
• 4.3.1 时间步长79
• 4.3.2 迭代次数79-80
• 4.4 传质模拟的结果与讨论80-91
• 4.4.1 流场80-81
• 4.4.2 物理传质81-86
• 4.4.2.1 流速对传质过程的影响82-83
• 4.4.2.2 通道内径对传质过程的影响83-84
• 4.4.2.3 扩散系数对传质过程的影响84
• 4.4.2.4 流量比对传质过程的影响84-85
• 4.4.2.5 氢氧化钠浓度对传质过程的影响85-86
• 4.4.3 化学传质86-90
• 4.4.4 实验验证90-91
• 4.5 固定结构模型91-94
• 4.6 本章小结94-96
• 第五章 结论与展望96-98
• 5.1 结论96-97
• 5.2 展望97-98
• 参考文献98-109
• 发表论文和参加科研情况说明109-110
• 符号说明110-112
• 致谢112-113

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