化工设备流动均布及相关协同效应

发布时间：2022-07-27 15:53

　　环境保护是当前时代的重要主题,污染尾气脱除是环境化工的关键问题。当前脱硫脱硝反应吸收设备的发展趋势是大型化与高效化,设备强化与其中的流动均布问题尤为重要。流动均布问题在化工设备中普遍存在,作为共性问题,本文尝试将其作为一个单元操作,总结分析其背景,意义,研究进展,现有技术,理论,研究方法。以单相流和多相流设备各一典型案例——氨氧化反应器和脱硫喷淋塔,研究其流动均布及相关问题。研究以数值模拟方法为主,结合理论分析与实验观察,采用新的研究方法——流场调控方法,得到了流动均布的机理,技术以及相关过程的强化方法。流动均布的本质是一种流场调控行为。相较于传统基于宏观参数的阻力分配机理,本文提出了基于场分布的流动控制原理研究流动均布问题。流场结构受控于设备的几何结构与操作过程,寻找流场结构与几何,操作参数间的关系,能够高效而准确的调控流动均布。流场结构是联系几何及操作参数与过程强化效果的纽带。本文研究了喷淋塔内的流动均布机理和传质强化机理。在脱硫喷淋塔中,首先得到了流动均布的原理——液滴自调整效应,而后依据该机理及协同效应,在三个方面优化提高设备效率:流动均布,相界面积提高,两相接触强化。主要方法... 

【文章页数】：198 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 前言
    1.1 化工设备的流动均布问题
    1.2 流动均布问题中的流动控制
    1.3 计算流体力学方法在流动均布问题研究中的意义
    1.4 研究内容与方法
第二章 文献综述
    2.1 流动均布问题的研究背景与意义
    2.2 化工设备中流动均布研究
        2.2.1 动量传递过程
        2.2.2 热量传递过程
        2.2.3 质量传递过程
        2.2.4 化学反应过程
        2.2.5 流动均布研究小结
    2.3 流动均布理论
        2.3.1 流量均布
        2.3.2 流速均布
    2.4 流动均布的主要技术
        2.4.1 平面型分布内构件
        2.4.2 空间型分布内构件
    2.5 流动均布的研究方法
        2.5.1 实验测量
        2.5.2 计算流体力学方法
    2.6 化学工程前沿领域中的流动均布问题
        2.6.1 微反应器
        2.6.2 燃料电池
    2.7 前期工作
    2.8 本章小结
第三章 湿法脱硫喷淋塔的冷模实验及宏观参数的数值模拟
    3.1 湿法烟气脱硫的研究背景及发展情况
        3.1.1 研究背景
        3.1.2 主要设备——喷淋塔
        3.1.3 喷淋塔流体力学模型研究
        3.1.4 喷淋塔传质模型研究进展
        3.1.5 喷淋塔内流动均布性研究
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验系统及流程
        3.2.2 流动形态观察分析
        3.2.3 压降阻力
    3.3 喷淋塔宏观性能的数值模拟
        3.3.1 多相流模型选择
        3.3.2 计算区域
        3.3.3 基本假设
        3.3.4 数学模型
        3.3.5 边界条件与计算细节
        3.3.6 网格无关性分析
        3.3.7 模拟正确性验证
    3.4 结果与讨论
        3.4.1 气相模拟结果
        3.4.2 液相模拟结果
        3.4.3 两相流模拟结果
        3.4.4 阻力系数和持液量与操作条件的关联式
    3.5 本章小结
第四章 喷淋塔内液滴自调整效应及其与棒层构件对流动均布协同作用
    4.1 引言
    4.2 流体均布机理的理论研究
        4.2.1 普通喷淋塔内的流动分布
        4.2.2 带有棒层的喷淋塔内流动分布
        4.2.3 均匀度(M_f,S_f),持液量(H)和能量损耗(ζ_p)
    4.3 喷淋塔内多相流的数值模拟
        4.3.1 计算域
        4.3.2 基本假设
        4.3.3 数学模型
        4.3.4 数值模拟计算域
        4.3.5 网格无关性检验
        4.3.6 模拟正确性检验
    4.4 模拟结果与讨论
        4.4.1 空塔流动均布性
        4.4.2 带有棒层的喷淋塔内流动分布
    4.5 本章小结
第五章 脱硫喷淋塔内层间协同效应对塔效率的强化
    5.1 引言
    5.2 理论分析
        5.2.1 多层喷淋塔的流动分布特征
        5.2.2 液相参数对流动均布的影响
    5.3 多层喷淋塔的多相流数值模拟
        5.3.1 计算区域
        5.3.2 基本假设
        5.3.3 数学模型
        5.3.4 边界条件与计算细节
        5.3.5 网格无关性
        5.3.6 实验验证
    5.4 结果与讨论
        5.4.1 单层与多层喷淋塔的分布对比
        5.4.2 对多层喷淋塔内的流动分布进一步探讨
        5.4.3 流动均布的工作窗口
        5.4.4 对均布操作区域的进一步思考
        5.4.5 多层喷淋塔内操作条件选择的优化
    5.5 本章小结
第六章 棒层构件在喷淋塔传质强化中的场协同效应
    6.1 引言
    6.2 理论分析
        6.2.1 气相-液滴系统
        6.2.2 气相-棒层系统
        6.2.3 气相-棒层-液滴系统
        6.2.4 棒层区域气相-液滴相互作用的场协同效应
    6.3 数值模拟
        6.3.1 计算域
        6.3.2 基本假设
        6.3.3 数学模型
        6.3.4 边界条件与计算细节
        6.3.5 网格无关性检验
        6.3.6 验证
    6.4 结果与讨论
        6.4.1 气相流场
        6.4.2 多相流流场
    6.5 本章小结
第七章 喷淋塔内流动均布与传质强化的协同组合分析
    7.1 引言
    7.2 流动控制指导下的流动均布与传递过程强化的研究方法
    7.3 协同效应与化工设备中的流场控制
    7.4 喷淋塔内流动均布及相关问题的协同效应
        7.4.1 喷淋塔液滴自调整效应及棒层构件作用的协同效应(第四章)
        7.4.2 多层喷淋塔内塔效率优化的协同效应(第五章)
        7.4.3 喷淋塔内棒层构件强化传质的协同效应(第六章)
    7.5 本章小结
第八章 基于径向流分配原理的多孔分布板流动均布
    8.1 引言
    8.2 分布板均布的理论分析
        8.2.1 基于流动控制的均布机理
        8.2.2 分布板流体均布的过程
        8.2.3 分布板几何参数对流动均布过程的影响
        8.2.4 均布过程的能量损耗
        8.2.5 多孔分布板的新设计方法
    8.3 氨氧化反应器流场的数值模拟
        8.3.1 氨氧化反应器简介
        8.3.2 方法与模型
    8.4 结果与讨论
        8.4.1 无分布板的反应器内流动分布
        8.4.2 添加传统分布板的反应器内流动分布
        8.4.3 添加新分布器的反应器内流动分布
        8.4.4 新分布器的结构优化
    8.5 冷模实验与数值模拟验证
        8.5.1 实验内容
        8.5.2 实验设备
        8.5.3 测量设备
        8.5.4 结果与讨论
    8.6 单相流流动均布过程与动量传递过程的强化
    8.7 本章小结
第九章 全文总结及展望
    9.1 研究方法
    9.2 主要结论
    9.3 展望、建议与不足
参考文献
攻读学位期间科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
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[2]大口径复合式气体分布器流场CFD模拟和实验研究[D]. 任吉超.天津大学 2010
[3]射流式脱硫反应器的实验研究及数值模拟[D]. 张凯.哈尔滨工业大学 2007
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本文编号：3665745