规整填料局部流动与传质的计算流体力学研究

【摘要】：为精确描述规整填料塔气液传质过程中涉及的多尺度流动与传质现象,进而准确预测整塔传质效率,本文对规整填料塔气液传质过程的局部微观流动、气液两相传质机理、宏观气液分布及多尺度关联计算传质学方法进行了初步研究。 建立描述规整填料塔传质过程的多尺度关联计算传质学模型涉及填料表面局部溪流液膜流动过程。为此,采用VOF法建立了二维气-液两相分层流动CFD模型;提出影响液膜流动的两个重要动量源项:表面张力动量源项和界面剪应力动量源项;根据模拟结果讨论了板面结构、液相物性及气液流速对液膜流动的影响。在流场模型基础上建立了二维气-液两相降膜解吸传质CFD模型,模拟结果显示,增强相界面波动(①增强气相流量;②采用波纹板面结构),能够有效提高降膜传质增强因子。在二维模型基础上,建立了三维溪流CFD模型和三维单片规整填料溪流CFD模型并进行求解。为验证相关理论,采用三维LDA技术测量了溪流液膜的流场和自由表面侧形;实验结果表明,本文提出的模型较现有文献发表的模型能更好地预测规整填料片表面的液体流动。 通过精确测定Mallpak250X/Y、350X/Y四种填料在两片规整填料内的液相分布和持液量,本文建立了规整填料宏观液相分布的新模型。模型中考虑了壁效应、结点处液体混合再分配过程以及液体横向扩散过程;模型中用到了针对降膜溪流流动的部分CFD研究结果,即利用CFD模型求算局部溪流宽度,克服了传统经验关联式计算精度低的缺点;能方便获得规整填料内的局部流动信息。针对规整填料内气相宏观流动建立了相关的气相拟单相CFD模型并进行了求解。 在上述研究基础上,初步建立了规整填料塔传质过程的多尺度关联计算传质学模型,提出了液相分布结点网络模型-气相拟单相流CFD模型-经典传质理论相耦合的规整填料塔传质效率计算方法,该方法属于一种由局部小尺度传质过程估算整体传质效率的多尺度计算传质学方法。利用所建立的耦合模型求得的HETP与常减压下的实验值吻合较好。本文所建立的方法不需输入实验数据,只需给定气、液相物性参数和填料结构参数,即可较为准确地估算填料塔的传质效率,对大规模填料塔的结构优化设计及整塔操作工艺优化设计提供了一种方法和途径。