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旋转床内液体流动与传质的实验研究和计算模拟

张军  
【摘要】:旋转床(又称超重机)是八十年代初发展起来的一种强化传质与反应的、新型的、高效化工分离设备,工业上有着极为广阔的发展前景。本文是在北京化工大学超重力工程技术研究中心前面研究者的基础之上,从实验与计算机计算模拟两方面对旋转床或超重机内的流体流动与传质进行进一步基础性研究。 本文首先采用一种新的实验方法—高速频闪摄影对旋转床内的流体流动过程进行了观察。高速频闪摄影技术的主要特点在于:用光脉冲代替相机快门,以控制底片的感光;在光脉冲时间非常短(本文最小光脉冲宽度可达8μs,其技术指标代表目前国内的最高水平)的情况下,达到对高速运动的流体“冻结”而拍照、观察的目的。对旋转床内泡沫金属填料与RS波纹丝网填料下不同区域(填料进口区、填料主体区及填料外空腔区)及不同转速、液量等操作条件的流体流动状况进行拍照,得到大量清晰可辨的照片,最终获得旋转床内各流态及其分布等大量信息。实验结果表明,①在旋转填料表面,液体主要以液膜的形态存在;②在填料空间,与操作条件有关,液体呈液滴、液膜和液线等形态;③在填料的进口区和转子外空腔区,液体主要以液滴形式存在。进一步,利用人机对话图象分析的办法测定了RS波纹丝网填料床内的液滴直径,其范围在0.1~0.3mm。 以水脱氧为研究体系,本文还进行了针对填料进口端区的传质实验及分别以RS波纹丝网和平直丝网为填料的总体传质实验,并给出了填料进口端区传质系数随液量、气量、转速等变化的经验表达式和两种丝网填料的总体传质系数随操作参数变化曲线。这些传质实验为建立和验证总体传质模型做好了准备。 依据实验观测,本文以金属丝网填料为研究对象,由基本方程出发,经过严格的推导,建立了横丝表面液膜和竖丝表面液膜的运动与传质方程。利用数值计算方法—容积差分法求解横丝表面液膜与竖丝表面液膜的运动、传质方程,分别得到这两类液膜内的速度分布和浓度分布,进一步获得液膜厚度及液膜传质系数值。 在实验观测的基础上,从基本方程出发,本文还建立了填料空间飞行液滴、液膜和液线的运动与传质方程。利用数理方法求解方程,分别得到上述空间飞行液体各自的尺寸、在空间飞行时间以及传质系数的表达式。 以液滴为例,将本文所提出的严格计算模型与渗透理论结果进行比较,结果表明,在所计算工况下,渗透理论算得的传质系数偏高10~20%。旋转床中各流


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