微通道内醇胺/离子液体复配水溶液吸收CO2的传质特性

研究了微通道内醇胺[单乙醇胺(MEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)]与离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸([Bmim][BF₄])和1-羟乙基-3-甲基咪唑甘氨酸([C₂OHmim][GLY])]复配水溶液吸收CO₂的传质特性。考察了醇胺/离子液体浓度比(c_AA∶c_IL)对液相体积传质系数(k_La)的影响,发现k_La随反应速率的增大而增大。为进一步阐释复配水溶液吸收CO₂的传质机理,分析了比表面积、扩散速率、增强因子和液弹循环对传质速率的影响。结果表明,四种复配溶液中,反应速率和循环频率(f_cir)分别在低流率和高流率下对传质速率起主导作用。k_La可表示为f_cir的函数,低气相流率下k_La与f_cir呈线性关系,斜率与反应速率成正相关,高气相流率下,液弹循环因膜弹传递困难而对整体传质速率的影响减弱,k_La与f_cir呈指数关系,幂律指数小于1。     

LTNE条件下界面对流传热系数对部分填充多孔介质通道传热特性的影响

在多孔介质区考虑局部非热平衡,采用Brinkman-extended Darcy模型结合应力跳跃条件对部分填充多孔介质通道内流体传热特性进行分析。获得了各区域温度分布及Nusselt数解析解,并分析了各参数对温度及Nusselt数的影响。结果表明：界面对流传热系数H_s较小时,界面应力跳跃系数β和Darcy数Da的增加会减小流固两相间温差。而在高H_s下,Da减小也会减小两相温差。在Da、H_s和固流两相热导率之比K较大且空心率S（自由流体区高度与通道高度之比）和Biot数Bi较小时,流固两相间会在接近多孔介质区中部出现最大温差,而该最大温差会随着S增加和Da及H_s的减小向界面区移动。对于不同K与Bi,Nusselt数Nu与S的关系曲线存在不同的类型,与模型A（界面处多孔介质固相和流相根据各自温度梯度和热导率划分总热流）不同的是,采用模型C（界面处固相热流分配与自由流体区流相的热交换相关）所获得的Nu曲线类型与H_s有关。在K较小时,β对Nu的影响大于H_s对Nu的影响;而在K较大时,H_s对Nu的影响要远大于β对Nu的影响,且H_s增加会明显提高通道内的Nu。     

NaOH-CO2体系下并流立体旋流筛板塔传质性能

二氧化碳捕集是应对全球气候变暖问题的重要技术之一。本文使用NaOH溶液和CO₂作为实验体系,在并流塔中对立体旋流筛板（TRST）的传质性能进行实验研究,测定并计算出全塔及塔板段的气相总体积传质系数[K_Ga_e,(K_Ga_e)_t],重点考察塔板安装数量和方式、空塔气相动能因子和喷淋密度、CO₂和NaOH浓度等参数的影响规律。研究结果表明,塔板段是传质过程的主要区间,增加塔板数量以及采用塔板逆向安装方式是提升传质性能的有效技术手段;塔板段的气相总体积传质系数随空塔气相动能因子和NaOH浓度的增加呈先增大后减小的趋势,随喷淋密度和CO₂浓度的增加而减小,最高可达12.18kmol/(m³·h·kPa);建立塔板段的气相总体积传质系数的经验模型,模型计算值与实验数据的吻合性较好,相对误差小于20%。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

水力喷射空气旋流器用于吸收处理工业尾气中的氨气

针对工业尾气中氨气吸收存在的传质效率低、设备易于堵塞等问题,本文采用新型超重力气液传质设备水力喷射空气旋流器(WSA),以稀硫酸溶液为吸收剂,开展了氨气吸收处理研究。研究考察了初始NH₃浓度、进口气速、喷孔面积以及中心排气管直径等操作参数和WSA结构参数对氨气吸收处理效率的影响。研究结果表明,NH₃吸收率随着初始NH₃浓度和进口气速的增大均呈现先增大后降低的规律。NH₃吸收率随着WSA的喷孔面积的增大先增大后趋于平缓,但却随着WSA的中心排气管直径的增大而降低,但压降也随之增大。在NH₃浓度为4500mg/m³左右,进口气速为26.46m/s时,采用喷孔面积为565.5mm²、中心排气管直径为32mm的WSA,NH₃吸收去除率可达99.5%以上。该工艺在工业尾气中的NH₃回收处理方面具有较大的应用前景。     

脉冲射流-刚柔组合桨强化流体混沌混合及传质性能研究

传统搅拌反应器普遍使用刚性桨进行机械搅拌，导致反应器内容易产生混合隔离区而降低流体混合效率。采用多流场耦合诱发混沌现象，促使更多流体进入混沌状态，是提高流体混合效率的有效途径之一。结合Matlab软件编译PJ-RF-RT体系中的压力脉动信号得到最大Lyapunov指数（LLE）与多尺度熵（MSE），探究不同脉冲周期下占空比、桨型、柔性桨叶厚度、桨离底高度及脉冲空气射流量对搅拌反应器内流体混沌混合的影响，同时，对比分析了桨型、射流类型、气流量对体积氧传质系数K_La的影响。研究结果表明，在脉冲周期T=0.4 s，占空比D=80%时，RF-RT桨体系较R-RT桨体系的LLE增大了11.58%，且RF-RT体系的MSE显著高于R-RT桨体系，表明脉冲射流刚柔组合桨体系能更好地诱发流体混沌，增大流体混合效率，均化体系能量分布。此外，脉冲射流耦合RF-RT桨体系增强了流体的湍流特性，促使液膜厚度减小，强化了传质，在单位体积功耗P_v=360 W/m³时，PJ-RF-RT体系的K_La较PJ-R-RT提高了13.46%，PJ-R-RT体系的K_La较SJ-R-RT提高了11.86%。     

三维菱形结构微通道内气液传质与强化

研究了具有三维交错菱形结构的微通道对离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF₄])水溶液吸收CO₂过程的传质增强作用。实验主要聚焦于弹状流和破碎弹状流。考察了弹状流型下气液流量、离子液体浓度对体积传质系数k_La、增强因子E、CO₂吸收率X及压力降ΔP的影响。结果表明,较之于直通道,三维菱形通道可以显著提高体积传质系数和CO₂吸收率,其增强因子可达2.1,压力降仅增加 0.9 kPa。提出了一个新的体积传质系数k_La预测式,预测效果良好。采用VOF法模拟了微通道内气液两相流动过程,获得了连续相的速度矢量场。三维菱形通道能诱导涡流,强化传质过程。     

臭氧相关水处理工艺及其传质特征研究进展

通过对臭氧的性质和不同的反应机理介绍,回顾了臭氧在水处理中的应用发展概况,并介绍了臭氧在实际处理应用中的设备的3个关键部分,包括臭氧发生器、臭氧接触反应系统和臭氧破坏装置。在工艺设计、活化及催化方法开发的基础上,臭氧在水中传质过程的优化也是技术创新的重要环节,所以本文阐述了臭氧的传质速率影响因素,而臭氧接触器是改善传质的具体工程手段。基于人们对臭氧传质过程的理解,逐渐对臭氧接触器进行了设计和改进,本文对几种典型类型的接触器的发展历程和研究现状进行了介绍,并且对其各自的传质特征研究进行对比与总结,结果得出大流量工况下静态混合器的体积传质系数K_La高达2s^-1,而小流量工况下射流式接触器和微气泡反应器的K_La可分别达到216.15s^-1和4000s^-1,并且发现臭氧反应中仍有某些问题需要进一步研究,如气泡直径等参数可以多加注意和臭氧体系中的界面反应的进一步研究。     

Lightnin静态混合器内气泡分散流体动力学特性实验研究

以Lightnin静态混合器（LSM）内水-空气气液两相体系为研究对象,在连续相水表观速度U_L=0.071~0.127 m/s和离散相空气表观速度U_G=0.007~0.042 m/s的条件下,研究内径100 mm的LSM内气液两相湍流流动阻力与气泡分散水动力学行为。使用分辨率为1920×1080的高速相机Revealer-2F04M采集混合器内不同轴向窗口的气泡群演化过程。结果表明：当U_L<0.085 m/s和U_G=0.025~0.042 m/s时,LSM内的流型为泡状流。随着气泡群流经混合元件数的增加,气泡群的Sauter平均直径d₃₂逐渐减小。当液体表观速度U_L≤0.085 m/s时,Sauter平均直径d₃₂随气体表观速度的增加先减小后增大;U_G =0.028 m/s时d₃₂达到局部最小值,53%的气泡直径d_B/D₀在0.02~0.05范围内。Sauter平均直径、内径与无量纲停留时间τ之间的关系满足d₃₂/D₀=0.031τ^-0.14We^-0.41。平均气含率α的增大显著增加了单位体积内气泡数量密度,加剧气泡与元件表面碰撞频率,增大旋涡二次流强度,导致摩擦系数显著降低;采用Lockhart-Martinelli方法对实验数据回归,得到气液两相流压降预测常数C的关联式：C=5.26×10⁵U_G^-0.91/Re^0.74。     

水力喷射空气旋流器喷孔分布优化

为了进一步提高水力喷射空气旋流器(WSA)的传质性能,采用理论分析与实验相结合的方法,对其喷孔分布进行了优化研究。提出了基于同层相邻喷孔液相射流边界层相交于中心排气管表面的临界孔间距l_c的概念及其计算方法,实验考察了喷孔排列方式和喷孔间距对WSA脱氨传质效果的影响。研究表明,在传质性能上,WSA的射流喷孔按正方形排列优于三角形排列;喷孔间距对脱氨传质效率有明显影响,存在一个较优取值,其值约等于1.28l_c;从上往下到中心排气管出口处计算,侧壁开孔区长度应该占中心排气管长度的78%。研究结果为设计具有良好传质性能的WSA提供了依据。     

Performance of CO2 absorption in a diameter-varying spray tower

The application of spray towers for CO₂ capture is a development trend in recent years. However, most of the previous jobs were conducted in a cylindrical tower by using a single spray nozzle, whose configuration and performance is not good enough for industrial application. To solve this problem, the present work proposed a diameter-varying spray tower and a new spray mode of dual-nozzle opposed impinging spray to enhance the heat and mass transfer of CO₂ absorption process. Experiments were performed to investigate the mass transfer performance (in terms of the CO₂ removal rate (η) and the overall mass transfer coefficient (K_Ga_e2 are major factors, which affect the absorption performance and the maximums of η and K_Ga_e that are 94.0% and 0.574 kmol·m^-3·h^-1·kPa^-1, respectively, under the experimental conditions. Furthermore, new correlations to predict the mass transfer coefficient of the proposed spray tower are developed in various CO₂ concentrations with a Pearson Correlation Coefficient over 90%.     

基于响应曲面法的旋风分离器结构优化

为了优化旋风分离器的分离效率和能量损耗,确定影响旋风分离器性能的主要结构参数,采用响应曲面模型和CFD数值模拟,以排尘口直径（D_d）、排气口直径（D_e）、入口速度（V）为设计变量,以压降和总分离效率为目标函数,进行三因素的优化设计分析。研究结果表明,排尘口直径对压降和分离效率影响不大,排气口直径与速度对压降和分离效率影响显著,且排气口直径与速度的交互作用明显。针对本次0.5～10 μm的颗粒群,推荐最优参数组合是D_e/D=0.35、D_d/D=0.37、V=12 m/s。与实验的结构相比,在相近的分离效率情况下,压降降低了一半,有效地减少了能耗。表明所建立的响应曲面模型能够较精确地表示设计变量与目标函数之间的关系,基于响应曲面模型的优化设计方法可以有效用于旋风分离器的结构优化。同时不同的粒径要求可以采用不同的结构进行除尘,在达到分离要求的前提下,采用最小压降的结构,本次研究为分离0.5～10 μm粒径的结构提供有利的依据。     

底部挡板与进气位置对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(water-sparged aerocyclone,WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备,可广泛用于废水、废气处理等环境工程中。为了改进水力喷射空气旋流器结构,提高其气液传质性能,本文通过废水氨氮吹脱实验研究了进气口轴向位置以及底部挡板的设置对气液传质性能的影响。实验结果表明,进气位置与底部挡板对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下,气相进口沿轴向下移对WSA内气液传质性能作用较小,但能够使其气相压降降低约为10%。在WSA主筒体底部液封区域设置挡板,能够强化WSA底部气液两相的混合,进而提高低液相循环流量下WSA内的气液传质性能,且随进气速度的增加,其效果越显著,研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

水力喷射空气旋流器分离空间结构对气液传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备, 可广泛用于废水、废气处理等环境工程过程中。为了优化水力喷射空气旋流器的分离空间结构, 本文通过废水氨氮吹脱实验对柱锥结合形WSA和柱形WSA分别进行了气液传质性能研究。研究结果表明, 分离空间结构对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下, 与柱形WSA相比, 柱锥结合形WSA具有更好的气液传质性能和略高的气相压降, 后者吹脱氨的体积传质系数提高了约8%, 主要原因在于柱锥结合形WSA内部具有更好的射旋流耦合雾化作用和离心超重力强化传质的综合效果, 使得两相比传质面积增大, 传质效率增高。研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

Experimental studies of air-blast atomization on the CO2 capture with aqueous alkali solutions

In this work, an air-blast atomizing column was used to study the CO₂ capture performance with aqueous MEA (mono-ethanol-amine) and NaOH solutions. The effects of gas flow rate, the liquid to gas ratio (L/G), the CO₂ concentration on the CO₂ removal efficiency (η) and the volumetric overall mass transfer coefficient (K_Ga_v) were investigated. The air-blast atomizing column was also compared with the pressure spray tower on the studies of the CO₂ capture performance. For the aqueous MEA and NaOH solutions, the experimental results show that the η decreases with increasing gas flow rate and CO₂ concentration while it increases with increasing L/G. The effects on K_Ga_v are more complicated than those for η. When the CO₂ concentration is low (3 vol%), K_Ga_v increases with increasing gas flow rate while decreases with increasing L/G. However, when the CO₂ concentration is high (9.5 vol%), as the gas flow rate and L/G increases, K_Ga_v increases first and then decreases. The aqueous MEA solution achieves higher η and K_Ga_v than the aqueous NaOH solution. The air-blast atomizing column shows a good performance on CO₂ capture.     

相变套管式储热系统放冷性能实验研究

搭建了套管式相变储热实验系统，分别填充不同质量分数膨胀石墨与正十五烷制备而成的复合相变材料，对系统进行重复充放冷循环实验。采用有效储热比E_st和储能效率ε来表征系统性能，研究了复合相变材料中换热增强对套管式潜热储能系统放冷性能的影响。结果表明：同Re数下，相变材料热导率为0.14 W·m^-1·K^-1（工况A）放冷结束时间为1770 s，相同Re条件下热导率提升至7.10 W·m^-1·K^-1（工况B）和11.60 W·m^-1·K^-1（工况C）的结束时间分别可缩短77.3%、78.9%；热导率的增加可显著提高系统有效储热比E_st和储能效率ε，热导率从0.14 W·m^-1·K^-1增加到11.60 W·m^-1·K^-1，E_st在层流区、过渡区和湍流区分别可提升33.3%、350.0%及129.6%，ε分别可提升26.8%、52.9%及14.6%；Re的增加使得工况A和工况B中E_st和ε呈现下降趋势，工况C中E_st在Re=4298出现峰值1.62。