气液逆流接触过程及液滴夹带特性

为了探究喷淋塔内气液逆流接触流动特点及液滴夹带特性,采用激光粒度仪及湿法等动取样对实验模型内液滴粒径分布及含液率进行测量,并结合高速摄影技术对喷淋液层气液两相流动特性进行跟踪拍摄。结果表明:根据气液逆流接触特点可将液层流动分为波动区、破碎区及夹带区;截面气速及液相体积流量的增大使得气液间作用力增强,夹带液滴粒径减小;由于碰撞作用双层喷淋下夹带液滴粒径相对于单层喷淋下较小;液滴在上行过程中运动复杂且多变,液滴的不规则运动及气相流场的复杂性是造成夹带区内液滴粒径分布波动的主要原因;定量得出气液逆流接触过程受气相夹带液滴粒径分布范围,研究结果可为喷淋塔内传质及传热过程提供参考,同时可为除雾器的开发提供设计依据。     

气液旋流器内液相平均停留时间

旋流设备内伴有传热、传质或反应过程时,介质停留时间是其关键参数。在冷模实验装置上,采用持液量法,对气液旋流器内液相平均停留时间进行了研究。结果表明,液相停留时间随入口含液率增大明显降低,随入口气速增大降低较小。气液界面剪切力远小于液相重力是入口气速对液相停留时间影响较小的主要原因。基于液膜受力平衡,建立了气液旋流器内液相平均停留时间模型。模型预测停留时间与实测值总体吻合良好,在液膜Reynolds数Re_l< 1200范围内,模型预测停留时间偏大,讨论了模型预测偏差与液膜流型的关系。     

氨油分离器内高效气液分离元件分离性能的数值研究

采用FLUENT软件对氨油分离器中波纹板除雾器和丝网除雾器内的气液两相流场进行数值模拟计算,考察除雾器的结构参数与操作参数对进出口压降和分离效率的影响规律。结果表明:波纹板除雾器的压降随入口气速的增大而增大,随叶片转折角度的增大而减小,分离效率随液滴直径的增大而增大,随入口气速的增大而增大,随叶片转折角度的增大而减小;丝网除雾器的进出口压降随入口气速的增大而增大,分离效率随入口气速的增大而增加,随入口液滴直径的增大而增加;波纹板和丝网组合在一起的整体分离效率提高,且随着液滴直径的增大,整体分离效率上升很快。     

中空液滴撞击液膜的数值研究

采用耦合水平集-体积分数法(CLSVOF)建立了中空液滴撞击液膜的数值模型,进行了模型的准确性验证,对中空液滴撞击液膜的动态特性及传热特性进行了研究。结果表明,中空液滴撞击液膜的动态过程包含液壳破碎、液壳液膜融合、液滴铺展等过程。中空液滴撞击液膜时会出现空气卷吸现象及颈部射流现象,颈部射流现象产生的原因是由于液滴颈部位置存在较大的局部压差。随着时间的推移,近壁面处流体的温度逐步上升,壁面的热流密度逐步降低,撞击过程对于传热特性所产生的影响趋于明显。分析了液壳厚度、液膜厚度及撞击速度对传热特性所产生的影响,壁面的平均热流密度随着液壳厚度及撞击速度的增大而增大,随着液膜厚度的增大而减小。     

天然气净化用旋风分离器气液分离性能

为了系统评价天然气净化用旋风分离器在含液量低时的气液分离性能,利用滤膜采样称重法和Welas在线测量法测量了旋风分离器在入口气速8～24 m·s^-1、入口液体浓度0.1～2 g·m^-3时的分离效率和粒径分布;对比了相同入口浓度下旋风分离器气液分离性能和气固分离性能的异同。实验结果表明,在入口气速为8～24 m·s^-1、入口液体浓度为0.1～2 g·m^-3时,旋风分离器的气液分离效率随着入口气速和入口液体浓度的增加而增大,而出口粒径分布范围变化很小;与气固分离相比,在相同的入口气速和入口浓度下,旋风分离器的气液分离效率要高2%～6%;另外,气液分离时出口液滴粒径不大于4 μm,而气固分离时出口有大于10 μm固体颗粒存在。     

旋流型气液分离器壁面小孔处气液相分离特性

旋流型管道气液分离器能够实现高气速下的气液分离,而壁面小孔处的相分离特性是决定分离器性能的重要因素。为优化气液分离器的结构与操作参数,文中应用计算流体力学(CFD)模拟方法,基于冷模实验验证,研究了旋流型管道气液分离器内部流场及小孔处的相分离特性。结果表明:气液分离器内两相流流型沿轴向由雾状流向环状流转变,在L/D≤1.0区域内(L为小孔的轴向位置,D为管径),壁面无液膜覆盖,液相分流系数随轴向距离的增加而增加,在L/D1.0区域内,液膜在壁面处形成,液相分流系数较高且稳定在0.007左右;增大小孔直径或小孔两侧压差,小孔内的液相分流系数增加,但分流比降低。研究结果可为旋流型管道气液分离器的优化设计提供理论指导。     

立体传质塔板CTST喷射特性的研究

立体喷射型塔板的喷射状况对气液两相接触面积有重要影响。在直径570 mm的冷模实验塔内,采用高速摄像仪对CTST的喷射过程参数进行了实验研究,并且基于不稳定波动理论建立了液滴群平均粒径的计算模型。结果表明:喷射孔气速是影响喷射锥角的关键因素,随着喷射孔气速的增加喷射锥角逐渐增大,当喷射孔气速超过7.5 m?s-1时,喷射锥角趋于恒定,其数值稳定在55°左右。随着气速的增加喷射孔处液膜速度显著增大,而液体流量增加时液膜速度略有减小,越靠近喷射孔顶端液膜速度越大。喷射区域内液滴的分布密度接近于Rosin-Rammler分布,在喷射锥角为[20o,40o]区间内的液滴数量比较集中,随着气速和液体流量的增大,液滴分布密度逐渐趋于均匀。液滴群平均粒径随气速的增加而减小,随液量的增加略有增大。正常工作范围内,液滴群平均粒径为1.0~2.5 mm。     

液—液两相聚结分离原理及实际应用

对非均相液—液两相的聚结分离机理进行了阐述,以纤维类聚结介质为例,将聚结过程分为液滴捕集、液滴聚结和液滴沉降三个阶段。在聚结原理基础之上,对液—液聚结分离用的聚结材料进行分类,在此基础之上,详细介绍了目前应用比较广泛的液—液两相分离设备。最后指出液—液两相聚结分离技术及设备的发展方向。     

尾气湿含量对气液交叉流阵列捕集PM2.5的影响

针对过程工业尾气中PM2.5治理难题,提出以废水-废气构建的气液交叉流降膜阵列系统,利用工业尾气冷凝组分冷凝捕集尾气中PM2.5。基于质量衡算和传质速率方程,得到以尾气湿含量为控制参数的气液交叉流PM2.5捕集效率模型。理论结果表明,进口尾气湿含量从0.28kg/kg增加到0.52kg/kg,单排降膜阵列PM2.5捕集效率从0.64%增加到1.26%。湿含量为0.52kg/kg时,预测182排降膜阵列组成长度为819mm的分离通道整体分离效率可达到90%。通过20列×90排降膜阵列进行实验验证,表明理论与实验结果基本一致。     

两级组合式除雾器的分离性能分析

为研究两级组合式除雾器的分离性能,对两级旋流式、组合式、两级折流式3种除雾器进行性能分析。通过数值模拟方法分析除雾器内部流场差异,通过搭建实验平台,利用高速摄影技术并结合除雾器流场分布分析液滴在除雾器内部运动行为,进而从压降损失、分离效率、出口液滴粒径等方面开展除雾器分离性能的实验研究。结果表明：液滴在折流板内主要靠撞击叶片累积形成液膜而被捕集,在旋流板内沿叶片边缘滑动,以接近叶片倾角角度向壁面运动形成液膜被捕集;随入口截面速度增加,3种除雾器压降均逐渐增大,差值不断增加,两级旋流式除雾器压降最高;当入口截面速度低于5.7m/s时,两级旋流式、组合式除雾器分离效率均接近100%,同时组合式除雾器出口液滴中位粒径始终低于入口液滴中位粒径,并小于其余两种形式除雾器,对小粒径液滴分离能力显著;当液相流量从6.2m³/h逐步增加至13.7m³/h,3种形式的除雾器分离效率随液相流量增加呈下降趋势,其中两级旋流式除雾器在高气速、高液相流量下适应性最强,同时3种除雾器出口液滴中位粒径总体呈现下降趋势,其中组合式除雾器出口液滴中位粒径仍居于最低水平。     

液相性质对新型洗涤冷却室内液滴夹带的影响

采用等速取样法对床层气液鼓泡区上方分离空间的液滴夹带进行了实验测定,研究了液相性质对液滴夹带的影响. 结果表明,同一静态液位下,随气速增加,气液分离空间高度逐渐减小,液滴夹带量增大;出口处液滴夹带量E在径向上总体变化不大,贴近壁面处偏小,主要受气体出口处气体回流流动的影响;液滴夹带量随液相物质表面张力减小而增大,随液体粘度增大而增大,表面张力从72.8 mN/m减小到25.8 mN/m液滴夹带量增大2.5倍,液体粘度从1 mPa×s增加到2.3 mPa×s液滴夹带量增大1倍. 液体物性对液滴夹带量的影响较显著,由此建立了液滴夹带量与物性参数的经验关联式,为改善洗涤冷却室内部结构提供了理论依据.     

多液滴同步冲击液膜时中间薄膜射流形成机理与动力学特征

采用耦合水平集-流体体积（coupled level set and volume of fluid）方法结合高斯随机分布扰动对多液滴同步冲击平面液膜飞溅过程进行了三维数值模拟,通过分析压力、速度等细微场量分布,揭示了中间薄膜射流的生成、破碎以及后期柱状射流的形成机理。此外,讨论了Weber数、液膜厚度、液滴间距对薄膜射流高度的作用规律。结果表明,在液相加入高斯分布扰动后可以充分反映液滴冲击飞溅特征;相邻液滴颈部区域射流接触后,接触区压力梯度骤然升高,与流体运动间断共同作用下形成向上运动的薄膜射流,随后在流体不稳定性与气相涡流作用下发生破碎;薄膜射流高度随Weber数和液膜厚度升高而增大,液滴间距减小时,射流高度增大。     

多液滴同步冲击液膜时中间薄膜射流形成机理与动力学特征

采用耦合水平集-流体体积(coupled level set and volume of fluid)方法结合高斯随机分布扰动对多液滴同步冲击平面液膜飞溅过程进行了三维数值模拟,通过分析压力、速度等细微场量分布,揭示了中间薄膜射流的生成、破碎以及后期柱状射流的形成机理。此外,讨论了Weber数、液膜厚度、液滴间距对薄膜射流高度的作用规律。结果表明,在液相加入高斯分布扰动后可以充分反映液滴冲击飞溅特征;相邻液滴颈部区域射流接触后,接触区压力梯度骤然升高,与流体运动间断共同作用下形成向上运动的薄膜射流,随后在流体不稳定性与气相涡流作用下发生破碎;薄膜射流高度随Weber数和液膜厚度升高而增大,液滴间距减小时,射流高度增大。     

温差对气液交叉流PM2.5去除效率影响

针对过程工业尾气PM2.5污染问题,提出以废气废水构建交叉流界面,利用高温工业废气与低温废水之间形成温差发生传热捕集尾气中PM2.5。研究含PM2.5高温工业废气横掠错排降膜阵列的传热传质,分析气液温差对PM2.5去除效率的影响,理论推导PM2.5去除效率表达式,结果表明PM2.5去除效率随气液温差增加而增大。对直径3mm的降膜阵列,气体Reynolds数为140的实例计算显示,气液温差由20oC增加至80oC时,单排降膜阵列PM2.5去除效率由0.33%提高至0.66%,200排降膜阵列去除效率由48.5%提高至73.2%,由350排液柱群组成的分离通道整体去除效率可达到90%。对高温工业尾气横掠降膜阵列进行实验验证,理论分析与实验结果吻合良好。     

CO2气泡群上升过程的CFD-PBM模拟

为揭示CO₂气泡群在方形鼓泡塔中上升过程的气液两相流行为，采用双流体模型耦合PBM(种群平衡方法)进行数值模拟，考虑气泡间的聚并和破碎现象，与部分实验结果相互对比，验证数值模型具有一定的可靠性，并分析入口气速、塔高宽比和入口分布器结构对气液流动情况、相含率和液相速度的影响，模拟结果表明：气泡群的上升过程出现了周期性的羽流震荡现象，改变气速会影响塔内气泡羽流的震荡程度；流动过程液相发生湍动，随着塔高宽比增大，液相循环模式实现了从“冷却塔”形式到“交错涡旋”的转变；不同入口结构下相含率分布有差异，大入口的震荡更早到来，但震荡持续时间较小入口结构短。研究CO₂气泡群的多相流动规律为鼓泡塔的设计和优化提供了理论参考。     

捕雾装置

在蒸馏、吸收、洗涤等气液传质设备中,以及气液分离器中设有捕雾装置,以捕集气体中携带的液滴,减少夹带损失,并确保气体的纯度。在生产设备中,液相在气体中,大体呈下面几种形式:液滴直径(微米)液滴状(Sprays) 100以上雾滴状(Mists) 50～100雾沫状(Fogs) 1～50雾气状(Fumes) 0.1～1     

壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响

从覆冰类型及危害来看,雨凇对于导线产生的危害是最为严重和致命的。液滴撞击壁面的动力学特性对于相变凝固过程中的热质传递有重要影响,进而影响导线覆冰的特性。通过对比液滴撞击常温及过冷弯曲壁面过程中的液滴行为演变的异同,获得了表面过冷度和曲率大小对液滴铺展行为的影响规律。实验结果表明,随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。该结论可为导线雨凇结冰提供理论参考。     

壁面曲率及过冷度对液滴铺展特性的影响

从覆冰类型及危害来看,雨凇对于导线产生的危害是最为严重和致命的。液滴撞击壁面的动力学特性对于相变凝固过程中的热质传递有重要影响,进而影响导线覆冰的特性。通过对比液滴撞击常温及过冷弯曲壁面过程中的液滴行为演变的异同,获得了表面过冷度和曲率大小对液滴铺展行为的影响规律。实验结果表明,随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。该结论可为导线雨凇结冰提供理论参考。     

EII型多管旋风分离器分离性能的试验研究

为了系统评价EII型旋风分离器的分离性能,探究了入口气速为6～20.5m/s,入口颗粒质量浓度为8.6～17.5g/m~3时,多管旋风分离器的分离效率和压降。结果表明:多管旋风分离器的分离效率随入口气速和入口颗粒质量浓度的增大而出现先升高后下降的趋势,多管旋风分离器的压降随入口气速的增大而增大。在相同实验条件下,与单个旋风子相比,多管旋风分离器的压降升高幅度为20%～25%,分离效率下降不大于2%,具有很好的细粉尘捕集能力。     

旋风过滤装置天然气脱水试验研究

旋风过滤装置在气液分离领域有着广泛的应用。为此设计一种新型的旋风过滤分离装置,该装置具有分离效率高,设备适应性强,清洁环保、操作稳定等传统天然气脱水设备不具备的优点。试验中对不同的含液浓度和入口气速对分离效率和溢流压降的影响进行了研究及分析。试验结果显示:随着气速的增加分离效率会出现不同幅度的下降而可以反映能耗的溢流压降在不断上升;含液浓度的变化对溢流压降没有明显的影响,而含液浓度的提高可以在不同程度上提高分离效率。通过实验结果可以分析得出旋风过滤装置在入口气速8~10 m/s且含液浓度在20~25 g/m~3的情况下具有较好的分离性能。