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化工计算传质学的研究

孙志民  
【摘要】: 本文首先系统概述了计算流体力学、计算传热学和计算传质学的发展历程、相应湍流输运方程的封闭方法以及各自在化工中的应用情况。然后详细推导了浓度方差c2和浓度方差耗散率εc的精确输运方程,并对其进行了适当的简化和模型常数的确定,使其更适于工程传质计算,随后提出了计算传质学的方程体系。 本文在对文献中已有动量传递源项的分析基础上,同时借鉴圆射流的研究成果,首次提出了分布式动量传递源项,其特点是不仅反映气液之间的相互作用,而且同时考虑了筛孔分布对动量传递的影响。使用这一模型对1.2m直径的筛板塔进行了速度场模拟,其结果与文献中的实验值和使用均匀式源项的计算结果进行了比较,符合得较好,而且在塔板中心线和塔壁附近明显优于使用均匀式源项的计算结果,由此证明了分布式源项的有效性和优越性。另外通过对不同筛孔分布方式的塔板进行模拟和比较,进一步论证了分布式源项的优越性。 使用本文提出的计算传质学模型分别对1.2m直径的工业规模筛板塔和0.429m直径的中试规模筛板塔在不同操作条件下的传质情况进行了数值模拟,得到了速度场、浓度场和湍流传质扩散系数的分布。对于1.2m直径的筛板塔,其各板的出口浓度、单板效率、全塔效率以及湍流传质扩散系数的计算结果分别与文献中的实验值进行了比较,二者符合得较好。对于0.429m直径的筛板塔,将其不同操作条件下的塔底浓度和全塔效率与实验值进行了比较,二者符合得较好。这些比较结果证明了本文所提出的计算传质学模型对不同规模筛板塔模拟的有效性。另外通过对具有不同筛孔分布方式、不同形式进口堰和不同高度出口堰的塔板进行了传质模拟,其结果显示了塔板结构对塔板浓度场的影响,并且进一步证明了计算传质学较经验设计方法在体现塔板结构对传质影响上的优越性。 本文通过测量被纯氧饱和的水在塔板上发生氧解吸时液相中氧的浓度,首次得到了伴有传质的浓度场,并发现在速度返流区会出现浓度漩涡。并且使用本文提出的计算传质学模型对塔板浓度场进行了数值模拟,计算值与实验值符合得较好,进一步证明了所用模型的正确性。本文通过使用激光多普勒测速仪对矩形塔板上液相单相流和气液错流情况下的局部液相流场进行测量,考察了气液错流时气相对其周围局部液相流场的影响。这些实验结果有助于验证所提出的计算传质学模型。


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