旋轉(zhuǎn)填充床流體流動可視化與傳質(zhì)模型研究.pdf

1、化學工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國社會經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)提供了大量的化學品和基礎(chǔ)材料，同時也產(chǎn)生廢水、廢氣等有害污染物質(zhì)，嚴重制約著我國化學工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；どa(chǎn)過程清潔、節(jié)能降耗一直是科學家和工程師們的目標，作為化工過程強化裝備的旋轉(zhuǎn)填充床的研究與工業(yè)應(yīng)用有助于實現(xiàn)這一目標。
　　旋轉(zhuǎn)填充床的多孔填料可以將液體切割成細小的液滴和液膜，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)，簡稱“三區(qū)”。然而，由于旋轉(zhuǎn)填充床中流體運動速度較快不易觀測，導致其各區(qū)域內(nèi)流體流動形態(tài)及尺寸的研究還不系統(tǒng)。對旋轉(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，這些流體流動和傳質(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)對空腔區(qū)流體流動進行觀測，并對空腔區(qū)傳質(zhì)表面積

3、進行模型化研究。通過概率計算劃分了端效應(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過程的預測，可為旋轉(zhuǎn)填充床的設(shè)計和應(yīng)用提供理論指導。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　1.利用高速攝像技術(shù)對旋轉(zhuǎn)填充床空腔區(qū)內(nèi)的流體流動狀態(tài)進行研究，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。通過量綱分析得到了液滴平均直徑和速度的關(guān)聯(lián)式，預測值與實驗值誤差分別在±20％和±10％以內(nèi)。
　　2.基于空腔區(qū)流體流動的可視化研究，發(fā)現(xiàn)空腔區(qū)的傳質(zhì)貢獻分為三部分，分別為母代液滴、器壁液膜和子代液滴，對上述三部分進行模型化，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)表面積對空腔

6、區(qū)總傳質(zhì)表面積貢獻最大。采用NaOH-CO2實驗體系考察了轉(zhuǎn)速、液體初始速度和填料外半徑對空腔區(qū)傳質(zhì)表面積的影響，并與模型預測值進行對比。結(jié)果表明，空腔區(qū)傳質(zhì)表面積預測值和實驗值誤差在±20％以內(nèi)，說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、以及前人對旋轉(zhuǎn)填充床填料區(qū)流體流動狀態(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NaOH-CO2化學吸收實驗驗證模型值與實驗值誤差在±15％以內(nèi)，說明模型可以很好的預測旋轉(zhuǎn)填充床的液相傳質(zhì)過程，為旋轉(zhuǎn)填充床的設(shè)計提供理論支撐。
　　4.基于三區(qū)液相傳質(zhì)模型，同時考慮氣相傳質(zhì)和化學反應(yīng)對傳質(zhì)的影響，將三區(qū)模型用于MEA-CO2吸收過程的預測，結(jié)果表明，大部分實驗值與模型預測值吻合良好，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