丝网板液膜流动及传质

采用液膜流动测定及CO₂吸收实验较为系统地考察了固体壁面与丝网壁面液膜流动差异, 以及网孔尺寸对降膜流动及传质影响, 结果表明:在较低Re下, 丝网结构对液膜波动存在一定抑制作用。两种结构的壁面液膜波动振幅整体上随Re及距进口位置的增加而有所增加, 相比于固体壁面, 丝网壁面在沿流动方向不同位置处平均膜厚及波动振幅差异更小, 且在较低Re(<80)下, 液膜波动对液量更为敏感。不同孔径丝网板液膜流动观测结果表明, 液膜瞬时波动振幅及波动频率随丝网孔径的增加均出现了先增加后减小的变化趋势;在不同物系下, 当网孔尺寸≤2 mm时, 膜厚随网孔尺寸的增加逐步增大, 后随着网孔尺寸的进一步增大, 膜厚逐步减小。此外, CO₂吸收实验结果显示, 随着丝网孔径的减小, 测试板传质性能提升明显, 但单位面积网丝对传质贡献减少。     

水平蛋形管降膜蒸发器管外液膜铺展数值模拟

水平异形管与圆管相比,具有管外液膜成膜排数多、液膜流动稳定和传热性能好等优点。对柱状流下水平管降膜蒸发器管外液膜流动进行三维数值模拟,分析椭圆率、喷淋高度和横截面尺寸对蛋形管管外液膜铺展的影响。结果表明:蛋形管管外液膜铺展分为喷淋区、平稳区、叠加区与脱落区。液膜厚度随轴向位移Z增大而增大;当Z=0—6 mm时,液膜厚度随椭圆率变大出现先下降后上升趋势;当Z=8—10 mm时,液膜厚度随椭圆率变大而减薄,波动幅度最大值为26.13%。喷淋高度对液膜厚度影响较小,波动幅度最大值为10.53%。当Z=0,4,6 mm时,液膜厚度随横截面尺寸变大而增厚;当Z=10 mm时,随周向比例系数增大,液膜厚度随横截面尺寸变大出现先上升后下降趋势。     

竖直管降膜蒸发器流动与传热过程的数值模拟

针对竖直管降膜蒸发器的技术特点,在计算流体力学和传热学理论分析基础上,采用FLUENT软件,运用自定义函数(UDF)编写传质源项,对降膜蒸发器的加热管内液体沿壁面呈膜状下降流动并受热汽化过程进行了三维数值模拟研究,模拟采用Mixture两相流层流模型,Simple算法。模拟结果以3D形式表现了液体沿运动方向在管壁发展成膜的过程,并将模拟得到的液膜厚度与理论计算得到的液膜厚度进行了比较。模拟结果表明,竖直降膜蒸发器加热管具有液膜薄,均匀性好的特点,管表面容易形成柱状流,液膜厚度为1.0 mm。     

气液两相并流下行通过堆叠筛板填料的压降特性

堆叠筛板填料已在核电站放射性气体除气塔中得到成功应用。针对这一新型填料的应用设计,在较广泛的气液流量下,对气液并流下行通过不同规格堆叠筛板填料的阻力特性进行了系统的实验。实验填料共6种规格,孔径参数包括6、10和14 mm,不同孔径填料对应不同的孔间距、板间距,每种孔径填料具有正方形和正三角形两种筛孔分布方式。通过压降数据分析,研究了流动参数和几何参数（孔径、开孔率、布孔方式、板间距）对气液两相并流通过填料的流动行为及压降特性的影响;结合多孔板阻力系数经验公式提出了堆叠筛板填料干板阻力系数的计算模型,模型很好地反映了不同几何参数对干板阻力系数的影响,预测偏差在5%范围以内;基于均相流模型提出了堆叠筛板填料气液两相压降的预测模型,模型预测偏差在10%范围以内。研究工作对堆叠筛板填料塔的应用设计及进一步的传质动力学研究有一定参考价值。     

液相物性对规整填料内气液二相流的影响

运用商用流体计算软件FLUENT6.3,建立基于Navier-Stokes方程和VOF方法相结合的CFD分析模型,湍流结构模拟采用RNG k-ε模型,研究了液相物性参数对规整填料内气液二相流体动力学特性的影响。采用文献实验测试结果对该模型进行了验证。重点研究了在一定逆向气流速度条件下液相密度和黏度等物性参数对液膜流动的影响。结果表明:在分析的液相物性参数变化范围内,填料表面均能形成一层稳定的液膜流,气相流场分布也基本一致。液相密度增加,界面液相速度均值增大,沿界面速度值波动幅度降低,填料持液量减小。液相黏度增大,界面液相速度均值减小,持液量增加。2个物性参数改变时,有效界面传质面积均保持在一定值范围内波动。     

液相物性对规整填料内气液二相流的影响

运用商用流体计算软件FLUENT6.3,建立基于Navier-Stokes方程和VOF方法相结合的CFD分析模型,湍流结构模拟采用RNG k-ε模型,研究了液相物性参数对规整填料内气液二相流体动力学特性的影响。采用文献实验测试结果对该模型进行了验证。重点研究了在一定逆向气流速度条件下液相密度和黏度等物性参数对液膜流动的影响。结果表明:在分析的液相物性参数变化范围内,填料表面均能形成一层稳定的液膜流,气相流场分布也基本一致。液相密度增加,界面液相速度均值增大,沿界面速度值波动幅度降低,填料持液量减小。液相黏度增大,界面液相速度均值减小,持液量增加。2个物性参数改变时,有效界面传质面积均保持在一定值范围内波动。     

气液两相并流下行通过堆叠筛板填料的压降特性

堆叠筛板填料已在核电站放射性气体除气塔中得到成功应用。针对这一新型填料的应用设计,在较广泛的气液流量下,对气液并流下行通过不同规格堆叠筛板填料的阻力特性进行了系统的实验。实验填料共6种规格,孔径参数包括6、10和14 mm,不同孔径填料对应不同的孔间距、板间距,每种孔径填料具有正方形和正三角形两种筛孔分布方式。通过压降数据分析,研究了流动参数和几何参数(孔径、开孔率、布孔方式、板间距)对气液两相并流通过填料的流动行为及压降特性的影响;结合多孔板阻力系数经验公式提出了堆叠筛板填料干板阻力系数的计算模型,模型很好地反映了不同几何参数对干板阻力系数的影响,预测偏差在5%范围以内;基于均相流模型提出了堆叠筛板填料气液两相压降的预测模型,模型预测偏差在10%范围以内。研究工作对堆叠筛板填料塔的应用设计及进一步的传质动力学研究有一定参考价值。     

气液降膜流动厚度及流速分布特性

对洗涤冷却管内垂直降膜的流动特性进行了研究,采用超声波多普勒测速仪,对气相影响下液膜的厚度和速度进行了无接触式的测量,实验液膜雷诺数为2.04×10~4,气相雷诺数范围0~6.83×10~4。结果表明:液膜在洗涤冷却管流动发展过程中明显存在中央液膜向两边铺展的现象,铺展规律受气相雷诺数及出口槽缝尺度影响显著。管内周向角8和16°处局部液膜波动较其余周向位置剧烈并有增厚的趋势,且气相雷诺数和槽缝宽度的增大均使这两处液膜增厚位置向后延迟,使得管内初始段膜厚变薄。此外,气相雷诺数增大加强气液两相间的剪切作用,整体上加剧了液膜波动幅度,液膜速度波动趋势更加显著。     

竖直降液膜流动在反应工程中的应用

竖直元件上的降液膜流动由于具有传热传质系数高、气液接触面积大和表面更新速度快等优点,因而在化工和聚合反应工程上有着广泛应用。本文综述了竖直降膜元件上液膜流动的实验研究、理论分析和数值模拟,分别介绍了低黏流体降液膜流动在气体吸收与化学反应等方面的应用和高黏流体降液膜流动在涂覆与聚合物脱挥等聚合物加工中的应用情况。总结表明,目前对于低黏流体在竖直元件上的降液膜流动研究已较为成熟,而高黏流体降液膜流动的大部分研究仅着重于其成膜性能上。最后分析了降液膜流动的研究趋势,指出涉及热质传递与化学反应耦合的高黏流体在竖直结构上的降液膜流动是今后的重点研究对象。     

逆向气流对薄膜流动特性影响研究

气液二相逆流的降膜流动形式是规整填料塔内常见的流动形式,与气液并流模式相比,采用气液逆流的进料方式更有利于物质的交换。文中将在传热传质中起决定性作用的平板和波纹板上薄膜流体微观流动作为研究对象,对逆流气体存在下的薄膜流动特性进行数值仿真。采用开源CFD软件OpenFOAM进行建模,利用基于VOF法的inter Foam求解器,重点分析了不同逆流气速下,薄膜流体自由界面形状、自由界面速度、厚度方向上速度分布和流线图的变化。研究了倾斜平板和波纹板上薄膜流体受逆向气速的影响,分析发现相比平板上的两相流动,波纹板上的液膜受逆向气流的影响更复杂和剧烈,波动性更强,有助于传热传质的进行。     

金属斜孔板波纹填料流体力学与传质性能研究

介绍了自行开发的新型规整填料———金属斜孔板波纹填料,在内径500mm有机玻璃塔中,对金属斜孔板波纹填料的流体力学和传质性能进行了研究,推出了其压降、液泛气速和液相总传质单元高度的关联式,并与传统Mellpak孔板波纹填料相比,新填料保持Mellpak250Y相当的流体力学性能,同时具有更高的传质性能,该研究结果对金属斜孔板波纹填料的应用有指导意义。     

气体搅动的筛板萃取塔性能实验研究

在筛板萃取塔中引入气体搅动,既能明显提高装置的传质效率,又能大幅提高装置处理能力。筛板塔的通量随气速的变化规律与填料塔有显著区别,其性能研究有重要意义。利用煤油(苯甲酸)-水-空气体系,考察了气体搅动和筛孔直径对萃取塔流体力学和传质性能的影响。结果表明,随着表观气速的增加,气含率、分散相含率、液泛速率和传质效率均明显增加。但过高的气速也会导致分散相的过于分散和乳化,传质性能下降,直至液泛。不同直径的筛孔相比,较小的筛孔使分散相停留时间延长,分散相含率和传质效率提高,但液泛速率和处理能力降低。     

喷射型催化精馏塔构件的流体力学性能

对垂直筛板帽罩内装催化剂构成的新型塔构件进行了实验研究。考察了板孔动能因子、催化剂藏量、床层空隙率对塔构件压降、罩体喷出量以及液泛和漏液速度的影响。结果表明:压降随板孔动能因子和催化剂藏量的增加而增大,随床层空隙率的增加而减小;罩体喷出液体量随着板孔动能因子的增加先增大后减小,随床层空隙率的增加而增大,随催化剂藏量的增加而减小;漏液速度随液体流量、藏量的增加而增大,随空隙率增大而减少;液泛速度随床层空隙率、液体流量的增大而减小,随藏量增加而增大。新型塔构件流体力学性能良好。     

激光诱导荧光技术观测填料表面非等温降膜流动形态变化

非等温降膜流动在精馏过程中较为常见,其流动特性较为特殊,对填料表面的质量和热量传递有重要影响。本文搭建了可视化的实验装置,在保证液相室温进料的前提下升高填料温度,在规整填料表面构造液相被加热的非等温降膜流动,运用激光诱导荧光技术对液膜形态变化进行观测分析,对液体润湿面积、液膜厚度等参数进行比较。结果表明,随着填料温度的升高,液体润湿面积显著减小,波谷处液膜厚度显著增加,液膜逐渐收缩为沟流,填料表面的不规则液滴数目增多,干板现象越发严重。液体的聚并和分散轨迹消失,液相再分布及表面更新能力降低。因此,填料表面的非等温降膜流动液膜收缩现象十分明显,降低传热传质能力,需在工业生产中引起足够重视。     

Counter‐current gas‐liquid wavy film flow between the vertical plates analyzed using the Navier‐Stokes equations

The article is devoted to a theoretical analysis of counter‐current gas‐liquid wavy film flow between vertical plates. We consider two‐dimensional nonlinear waves on the interface over a wide variation of parameters. The main interest is to analyse the wave structure at the parameter values corresponding to the onset of flooding observed in experiments. We use the Navier‐Stokes equations in their full statement to describe the liquid phase hydrodynamics. For the gas phase equations, we use two models: (1) the Navier‐Stokes system and (2) the simplified Benjamin‐Miles approach where the liquid phase is a small disturbance for the laminar or turbulent gas flow. With the superficial gas velocity increasing and starting from some value of the velocity, the waves demonstrate a rapid decreasing of both the minimal film thickness and the phase wave velocity. We obtain a region of the gas velocity where we have two solutions at one set of the problem parameters and where the flooding takes place. Both the phase wave velocity and the minimal film thickness are positive numbers at such values of the velocity. We calculate the flooding point dependences on the liquid Reynolds number for two different liquids. The wave regime corresponding to the flooding point demonstrates negative u‐velocities in the neighbourhood of the interface near the film thickness maximum. At smaller values of the superficial gas velocity, the negative u‐velocities take place in the neighbourhood of the film thickness minimum. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

Liquid Flow on Structured Packing: CFD Simulation and Experimental Study

A CFD model of the two‐phase countercurrent flow in the geometry of the plate‐type structured packing Mellapak 250.Y was built, tested and verified. The model was applied to determine the effect of liquid and gas flow rates and physicochemical properties of the flowing liquids on the interfacial area formed on structured packing. The CFD model allowed us to determine the minimum liquid flow rate at which an unbroken liquid film was observed on the packing surface. The simulations confirmed that with an increase of the wetting rate the surface of the packing covered with a liquid film increased until the surface was totally covered up, while further slight changes of an interfacial area were the result of wave formation. The effect of gas load (F factor) on the film surface was in the range of a calculation error. Results of the CFD simulation allow us to predict the stages of film formation during liquid flow, to follow local velocity oscillations, film thickness and velocity profiles of phases.     

倾斜波纹板上液膜流动的CFD研究

利用VOF法建立了液膜在倾斜波纹板上的气-液两相流CFD模型,并根据液膜流动特点提出了表面张力动量源项和气液界面作用力动量源项.模拟结果与文献实验值吻合较好,表明本文提出的CFD液膜流动模型具有一定的可靠性.通过模拟不同性质的液体在不同表面结构波纹板上的流动过程发现,波纹板表面微观结构以及液体性质尤其是液体的表面张力对连续液膜的形成有重要作用,表明通过改变波纹板面微观结构以及降低液体的表面张力可以促进连续液膜的形成,对提高气液之间的传质效率有重要意义.     

装配水平筛板的气升式反应器中气液传质特性的数值模拟

利用Turbulent–Lehr组合模型对装配水平筛板的气升式反应器进行了计算流体力学(CFD)模拟，研究水平筛板对气含率、气泡直径、体积传质系数(kLa)和气液流速的影响。结果表明，筛板对气相的囤积作用和对液相的阻碍作用增加了反应器的整体气含率。筛板对气相的二次均布作用减弱了筛板和液面之间区域的气泡聚并过程，筛板筛孔对气泡的破碎作用产生了大量小于初始直径的气泡，增加了气泡比表面积(a)；筛板对液相的阻碍作用提高了筛板附近的气–液相流动速度差，从而提高了该区域的液膜传质系数(kL)，强化了反应器内的气液传质效果。