磁场作用下的低温氧氮气液传递机理研究

发布时间：2020-11-14 23:31

　　 工业气体广泛应用于各种加工制造行业,其中氧气和氮气为使用量最大、应用最广泛的空气产品。目前氧氮气体的制备多通过低温精馏法来进行,该方法具有产品纯度高、技术成熟等优点,但因氧氮沸点接近,存在分离能耗高、设备投资成本高等问题,制约着制造业生产成本的进一步降低。目前通过规整填料的开发和应用,低温精馏效率已得到很大的提高,但精馏过程的压降与传质损失仍十分显著,其能耗可占系统总能耗的30%-50%。空分产品氧氮的相对挥发度较低,因此空分精馏对相间传质性能的要求比石化等行业高。当下低温精馏效率的提升主要有改进设备及内构件结构、优化流程设计及耦合其他节能技术等方式,通过传统的增加比表面积的方法来提高传质的效率会使得压降大幅增加,而要在有限的塔径、压降下强化精馏过程核心的气液热质传递过程,提高系统的效率,则需要进一步解决背后涉及的低温精馏过程鼓泡、降膜流动与传质机理、新型精馏强化机理等关键科学问题。基于本课题组提出的磁场辅助低温精馏新方法,本文探索了磁场对于气液动量及热质传递过程中潜在的强化突破点,从理论模拟与实验研究两方面分别揭示了磁场对于气液两相传输过程的作用机理,开展了以下三方面工作:(1)通过有限元数值计算研究了线圈电磁场构建的非均匀磁场中,气泡由静止开始在浮力主导下的运动及传质过程,揭示了磁场对气液界面运动的控制作用。空分精馏塔中,塔板效率的计算依赖于气泡的大小、气泡在液体中的停留时间等关键参数。气泡穿过线圈电磁场构建的磁场区域时,当磁场力方向与重力方向相反时,在磁场中气上升速度得到抑制,磁场加大后会停止上升甚至反向运动。在1 A电流形成的中心磁感应强度0.193 T的磁场中,2.6 mm的气泡运动至磁场中心位置的平均速度减缓了14%。当磁场力方向与重力相同时,气泡加速上升,液相扰动明显增强,使得气泡振荡增强。液氧在流场中形成的速度涡旋能够加快液相中组分的扩散,展现了磁场对组分传递的强化作用。(2)利用有限元数值计算方法对磁场下二维流场中液氧-氧气两相鼓泡行为进行了多物理场耦合模拟,揭示了液相环流对气液界面的破碎效应。空分精馏塔中,气相和液相发生质量、动量和能量交换,气相在液相中的分布形态及分布方式,气液界面的融合与破碎等都是影响空分精馏效率的关键因素。当流场中添加永磁体磁场后,永磁体边缘的高梯度磁场引发多个液相环流,环流中心出现低压区,气体流路被改变的同时,部分气体被卷入环流低压区而滞留,部分气体随液相绕环流运动。环流流动的方向也对气体的运动速度产生显著影响,在流道底部液相由两侧向中心运动,在气相入口处汇合,提高了入口附近气相速度。液相湍动的增强使得气液界面更容易破碎,在最大场强0.47 T的磁场中,进气速度0.1 m/s,当气相鼓泡0.3 s时,流场内的气液接触界面长度达到无磁场的两倍。改变环流的尺寸能够增加其流动性,同时有望破坏近壁面的热质传递边界层,提高热质传递效率。(3)基于低温流动可视化实验平台,获得了液氮中气泡群上升过程运动速度与直径分布。开展了有无磁场作用时不同进口流量下的氧氮气液传质实验,获得了磁场下小气泡群的粒径分布,揭示了磁场下气液界面的破碎现象与传质强化机理。在实际工业过程中的气液两相流动及热质传递中,气泡群的形态特征是判断流型及预测传质效率的基础。通过对实验中获得的可视化图像进行分析,液氮中的氮气泡大多分布在0.74-2.67 mm之间,其分布满足近似正态分布,有60%的气泡直径分布在1.22-1.93mm间。实验发现,当液氮中气泡由静止开始上升时,其速度主要分布在0.1-0.3 m/s之间,曳力系数随雷诺数的增大而增大。进一步开展的有无磁场作用时不同进口流量下的氧氮气液传质实验中,添加磁场后,气泡粒径变小、数量增多,当进口氧气流量小于4 g/min时,气泡直径分布峰值由[3.48,4.75]mm下降至[0.90,2.18]mm;当进口氧气流量大于4g/min时,气泡直径分布峰值由[1.25,2.13]mm下降至[0.37,1.25]mm。实验中存在最佳的进口流量5 g/min,使得气液传质时间最短,热质传递效率最高,施加磁场后,传质时间减少25%。实验中揭示的磁场下气液界面的破碎现象与传质强化机理将为磁场辅助精馏技术进一步研究与设计奠定理论基础。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TQ116;TQ028.31
【部分图文】：

浙江大学博士学位论文6图1-2塔板上气液组分表达Fig.1-2liquidandgasconcentrationexpressiononsieveplat板效率衡量了塔板上组分平均浓度与平衡浓度的关系，反应了单板上的组分传质进行程度，其中使用最广的为Murphree板效率，其表达为：气相：Mg畈(1.3)液相：Ml畈(1.4)其中平衡浓度畈为离开第n块塔板的液相平均浓度所对应的气相平衡浓度，畈亦然。总板效率计算整塔的理论塔板数与实际需要的塔板数之比，反应塔的传质进行程度：畈(1.5)其中为理论塔板数，为实际需要的塔板数。1.2.2塔板效率预测模型精馏塔板上发生传质过程不仅受气液流动的影响，还与塔板的尺寸、气液通量、浓度分布、操作压力等因素有关。由于不同物系的分离所用的经验关联式都有其局限性，当下的研究多集中于半理论半经验关联方法及基于计算流体力学（CFD）的理论模型经验修正法。对于研究全塔效率的研究者来说，结合经验和机理进行塔效率的估算是精馏塔设计中的主要方式。塔效率的计算基于对单层塔板效率的估算，板效率有多种预测方法，包括针对塔板上任意点的进行预测的点效率法、针对理想状况的整块塔板的Murphree板效

绪论11的无量纲数Ga（/）以消除雷诺数Re因气泡上升速度波动带来的影响，如图1-3。因为两相流动中气液界面的物性参数不连续，所以需对界面处进行处理。捕捉气泡运动中的气液界面的数值方法主要有VOF法、levelset法等。其中levelset法在1988年由Oscher[34]等人提出，对界面的捕捉有良好的连续性和光滑性。图1-3不同流型下气泡的形状Fig.1-3Bubbleshapeindifferentregime图1-4重力场中气泡形状与无量纲数的关系Fig.1-4Bubbleshaperegimewithdimensionlessnumberingravitationalmotion

绪论11的无量纲数Ga（/）以消除雷诺数Re因气泡上升速度波动带来的影响，如图1-3。因为两相流动中气液界面的物性参数不连续，所以需对界面处进行处理。捕捉气泡运动中的气液界面的数值方法主要有VOF法、levelset法等。其中levelset法在1988年由Oscher[34]等人提出，对界面的捕捉有良好的连续性和光滑性。图1-3不同流型下气泡的形状Fig.1-3Bubbleshapeindifferentregime图1-4重力场中气泡形状与无量纲数的关系Fig.1-4Bubbleshaperegimewithdimensionlessnumberingravitationalmotion
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本文编号：2884070