多相液膜流動的計算流體力學建模與驗證.pdf

1、規(guī)整填料塔分離效率的預測是提高該單元操作經濟效益的一個關鍵。影響塔效率的因素是多尺度的,既包括宏觀的操作變量如進料量、進料成分、塔內壓強與溫度等,也包含了微觀的液相局部流態(tài)與分布。尤其是在實際流程工業(yè)中,難以避免的會出現(xiàn)汽-液-液三相精餾,液相間的相互影響使得液相的流動形態(tài)呈現(xiàn)多樣性和隨機性,從而使塔的分離效率也呈現(xiàn)很大的不確定性。因此,有必要從微觀尺度上來研究流體的流動形態(tài)及影響塔效率的相關因素。
　　 從控制和操作角度講,為

2、提高規(guī)整填料塔的分離效率,就必須增加氣液傳質面積和停留時間。已經知道,在精餾過程中當液相以封閉液膜方式流動時,氣液相間的接觸面積是最大的。為此,就需要找出影響封閉液膜流動的因素。而這也正是本文的研究重點之一。
　　 由于規(guī)整填料塔內液相流動形態(tài)的改變往往只發(fā)生在幾英寸大小的填料片上,所以本文以簡化的規(guī)整填料片(傾斜板)為對象,采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法對傾斜板上的局

3、部氣-液、氣-液-液流動進行了三維建模與仿真,通過對流體流動特點的研究來尋找影響其流動形態(tài)的主要因素。研究結果表明,對氣-液流動而言,影響封閉液膜流動的因素包括液相負載、液相表面張力(包括接觸角的影響)以及氣液逆流時的相間曳力。這幾個因素相互耦合,相互制約:液相負載越大,盡管可以使液相以封閉液膜方式流動,但液相的流速也會相應變大,從而會使得氣液相間的接觸時間減??；相間曳力越大,盡管可以減小液相的流動速度,但會使低液體負載區(qū)產生液泛,所以

4、通氣量又必須與液相負載量相對應；表面張力越小(接觸角越小),可以使液相以封閉液膜方式流動,但液相越不穩(wěn)定,受曳力影響越明顯,甚至會產生液泛、夾帶。對氣-液-液流動而言,除了上面的影響因素外,液相的進料次序也是影響其流動形態(tài)的一個重要因素。這些影響因素的研究,對規(guī)整填料塔的優(yōu)化設計、過程控制提供了直接的理論指導。
　　 本文是以遞進方式進行研究的,論文的主要研究結果包括:
　　 1.基于CFD的流體體積法(Volume o

5、f Fluid,VOF),并結合Brackbill提出的連續(xù)表面力方法(Continnum Surface Force,CSF),對傾斜板上的單液相流動(氣-液兩相流)進行三維建模與仿真。研究了傾斜板上單液相的流動形態(tài),包括封閉液膜流動、液膜破裂及溪流和滴流的形成,并指出液相負載及表面張力(包括接觸角)對液相流動形態(tài)的影響。另一方面,也開展了相應的實驗研究,來確定模型參數(shù)、驗證模型的有效性。
　　 2.利用壓力降模型,將氣-液逆

6、流下的相間曳力引入到VOF模型中,從而建立了氣-液兩相逆流下的數(shù)學模型。采用該改進的模型,對逆流操作下、傾斜板上的單液相流動進行了三維仿真,研究了逆向氣流對板上的封閉液膜流動及溪流流動的影響,并指出當前的最大有效氣速(uge=5.0m/s)下,可減小水相的流動速度且保證其流動形態(tài)不發(fā)生變化,從傳質傳熱角度講,是有利的。另外,也給出了與文獻中實驗數(shù)據(jù)的對比,從而驗證該改進模型的可行性。
　　 3.在改進的VOF模型基礎上初步建立了

7、逆流操作下的氣-液兩相吸收傳質模型。采用該吸收傳質模型,研究了垂直光滑平板上、封閉液膜的瞬態(tài)流體力學參數(shù)與傳質的特點。研究結果與文獻中的實驗觀察定性一致。另外,也開展了相應的實驗,通過測量和分析出口處的濃度來驗證該吸收傳質模型是有效的。
　　 4.將確定參數(shù)的VOF模型進行擴展,對傾斜板上的氣-液-液三相流體流動進行了三維建模與仿真,研究了互不相溶的兩液相并流情況下的流動形態(tài)與特點。研究結果表明,互不相溶的多液相流動是集合了溪流

8、、滴流和封閉液膜流動的復雜流動:一液相以近似封閉液膜狀流動,而另一液相則以溪流或滴流的方式流動；兩液相中不同的進料次序可得到不同的流動形態(tài),有可能會導致夾帶的產生；對近似封閉液膜相而言,第二個液相的引入可降低封閉液膜相的流動速度。另外,也開展了相應的實驗研究,通過圖形與參數(shù)的仿真和實驗對比,從定性和定量兩個角度來驗證該擴展模型是可行的。
　　 5.將改進的VOF模型進行擴展,通過與壓力降模型的結合,建立了逆流操作下的氣-液-液三