基于OpenFOAM的精馏塔内气液两相流传热传质模拟

对于精馏塔内的多相传质过程,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)不仅可用于模拟流动现象,而且可以用于研究传热传质过程及其与流动的相互作用规律。基于之前精馏塔板气液流动模拟的研究工作,本研究应用OpenFOAM平台的多相流求解器,考虑了能量方程与组分输运方程,构建了精馏体系的传热传质模型,分别对环己烷-正庚烷理想体系与乙醇-水非理想体系进行了模拟,并分析了塔板上气液两相流动、组分浓度及温度等参数的分布规律。对于理想体系,理想溶液传质模型能够较准确地预测多层塔板上的温度及浓度场;对于非理想体系,需要在理想溶液传质模型的基础上引入活度系数模型,为此对比了UNIQUAC与NRTL两种活度系数模型的效果。在当前模拟框架下,引入活度系数模型有助于提升非理想体系温度场与浓度场的模拟精度,两种活度系数模型预测的整体趋势与文献结果基本一致,但在数值上UNIQUAC模型与文献结果吻合更好。此外,气液两相流场与浓度场分布的对比分析表明,液相的循环流动能够提升塔板的局部传质效率,导致液相入口与塔板堰处的效率高于塔板中心,但是循环区域内气液两相无法及时更新,将导致塔...     

组合导向浮阀塔板的CFD模拟及反向流分析

精馏塔板上的气液两相流动对传质效率有重要影响。根据实验数据拟合得到平均气含率关联式,将其加入动量源项,采用Fluent软件对1.2 m直径的组合导向浮阀塔板上的气液两相流动进行CFD模拟,考察了塔板上的气液两相流动状况。清液层高度的模拟结果与实验数据关联式相吻合,验证了模拟的正确性。对塔板上液相的非理想流动进行了分析,通过对反向流进行量化和统计计算出反向流体积分数(即反向流体积占塔板总体积的百分比)。3块不同浮阀排布塔板的反向流体积分数时均值的计算结果表明,梯形浮阀和矩形浮阀的排布方式对反向流影响很大,通过合理排布能够使工业塔板的反向流体积分数时均值从22.0%下降到19.4%,降幅达到11.8%。本研究结果可望对塔板的设计和优化提供指导。     

组合导向浮阀塔板的CFD模拟及反向流分析

精馏塔板上的气液两相流动对传质效率有重要影响。根据实验数据拟合得到平均气含率关联式,将其加入动量源项,采用Fluent软件对1.2 m直径的组合导向浮阀塔板上的气液两相流动进行CFD模拟,考察了塔板上的气液两相流动状况。清液层高度的模拟结果与实验数据关联式相吻合,验证了模拟的正确性。对塔板上液相的非理想流动进行了分析,通过对反向流进行量化和统计计算出反向流体积分数(即反向流体积占塔板总体积的百分比)。3块不同浮阀排布塔板的反向流体积分数时均值的计算结果表明,梯形浮阀和矩形浮阀的排布方式对反向流影响很大,通过合理排布能够使工业塔板的反向流体积分数时均值从22.0%下降到19.4%,降幅达到11.8%。本研究结果可望对塔板的设计和优化提供指导。     

精馏塔塔板两相流理论及实验研究

塔板上气液两相的流动状况尤其是液相的流速分布对塔板效率有重要影响。针对塔板上的气液两相流动 ,研究者提出了许多理论及实验方法 ,以期准确模拟和测量塔板上液相的流动分布。文中介绍并评价了塔板两相流动计算的各种理论模型以及两相流动测量的各种实验方法     

塔板上流型变化对板效率影响的计算传质学

利用能够描述塔板上气液两相错流过程的流体力学模型,建立了同时模拟气液两相流动与传质过程的数学模型;通过对气液两相传质方程和流体力学模型方程的联立求解,计算得到了塔板上液相速度分布和气液两相浓度分布的数值解,考察了气相完全混合和气相部分混合两种条件下塔板上的气液两相浓度分布,同时考察了气相完全混合时流型变化对塔板效率的影响.     

筛孔塔板气液两相流动的速度场模拟

<正>由于气体的搅动,筛孔塔板上的流动是极其复杂的气液两相流。目前两相流理论尚不成熟,未见运用此理论对塔板流速场的研究报道,Zhang和Yu的研究虽考虑了气相对液相流动的影响,但由于利用单相流理论,计算结果与实际情况有较大偏差。本文利用Elghobashi等建立的两相流双流体模型,建立了塔板上气液两相流二维流速场计算模型。在此基础上,通过调整模型参数,考虑了液层高度对塔板上返流区二维流型的影响,建立了模型参数值与液层高度的关系,实现了考虑液层高度影响的二维流动——拟三维流动的模拟。计算结果与Porter的实验结果基本相符。     

组合导向浮阀塔板的雾沫夹带实验及CFD模拟

对组合导向浮阀塔板进行了水力学实验，测定了2块直径1m、不同浮阀排布的组合导向浮阀塔板的雾沫夹带和相关水力学数据。根据实验塔板的结构和尺寸参数建立几何模型，采用Fluent 6.3.26软件对板上气液两相流动进行CFD模拟，考察了塔板上的气液两相流动状况。清液层高度和雾沫夹带的模拟结果与实验结果吻合较好，验证了模拟的准确性。对两块不同浮阀排布的组合导向浮阀塔板的雾沫夹带和板上液体反向流进行了分析，结果表明在适当位置用导向能力更强的梯形浮阀代替矩形浮阀可有效降低雾沫夹带率和液体反向流比例，雾沫夹带率的实验值和模拟值分别降低了13.4%和10.6%，液体反向流比例降低了12.8%。研究结果表明，通过CFD模拟可望指导两种浮阀的合理排布和塔板的优化设计。     

CFD在精馏分离中的应用

计算流体力学(CFD)是研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具.本文介绍了板式塔和填料塔内气液流动状况,塔板上和填料层的流体力学模型,论述了国内外CFD技术在精馏塔流场模拟方面的应用,指出了CFD技术在精馏领域的发展方向,对于板式塔,应充分考虑气液两相间的相互作用,对于填料塔,应根据填料的具体形状建立每个孔道的流体力学方程,进行更接近实际的三维两相流模拟.     

立体传质塔板相对液体提升量的计算

液体提升量是影响立体传质塔板(CTST)气液传质的条件有关.今分析了气液两相在帽罩内部的流动特点和能量分布状况,以立体传质塔板帽罩单元为研究系统,分析了气液两相带入和带出系统的能量以及通过帽罩时的能量损失,同时考虑帽罩结构和气液物性的影响,建立了立体传质塔板相对液体提升量数学模型.由于影响流动过程能量损失的因素比较复杂,将其表达为阻力系数的形式,并作为模型的参数.在直径600 mm的实验塔中对液体提升量进行了实验研究,确定了模型参数,并对模型进行了检验.结果表明,所建模型能够较好地反映立体传质塔板上液体的相对提升量.     

汽—液—液三相与汽—液两相塔板效率比较

本文通过小型精馏塔及600×150 mm~2矩形模拟塔的实验,对比研究了气(汽)-液两相和气(汽)-液-液三相的塔板效率。并就物系性质(表面张力梯度、液体粘度或分散粘度),两液相体积比,气速及操作工况对传质的影响进行了研究。提出三相传质和两相传质差异的主要因素,得出估算三相精馏塔板效率的关联式。     

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。     

尿素合成塔高效塔板的Fluent数值模拟

尿素合成塔板的结构型式影响尿素合成CO2转化率,市场上多种"高效"塔板并存,工程上难以正确选择,存在"高效"塔板"CO2转化率并不高"的现象。基于计算流体力学,应用湍流模型模拟并分析了卡萨利Z型塔板和喷射型塔板气液两相流混合及流动特性,并用CO2气含率间接表征气液两相流的混合均匀程度,进而间接反映塔板的效能。在相同生产负荷下模拟不同结构"高效塔板"的CO2气含率分布,和相同结构"高效塔板"在不同生产负荷条件下CO2气含率分布的动态变化规律。模拟结果表明:相同生产负荷条件下,喷射型塔板CO2气含率较高且分布稳定、均匀;不同生产负荷条件下,喷射型塔板具有较好的操作弹性;设计良好的喷射型塔板效率高、操作弹性大、能适应变工况生产条件,具有推广、应用价值。     

波纹导向浮阀塔板二相流场的数值模拟

塔板上二相流动情况的不同对板上传热传质的影响较大,仅仅通过实验很难了解板上流动和气液传质的非理想情况。为了深入了解波纹导向浮阀塔板的流体力学性能,在阀片全开状态下,采用计算流体力学(CFD)对1 000 mm的波纹导向浮阀塔板的两相流场进行了模拟研究,建立了欧拉-欧拉两相流三维模型,考虑了气液二相间动量传递作用。为了检验模拟结果的可靠性,将模拟得到的清液层高度与实验值进行对比,验证了所建模型的正确性。研究结果表明,波纹导向浮阀塔板具有良好的流体力学性能,板上气液分布较均匀,弓形区返混区域小。     

气液隔离相变全效塔板与小板距精馏塔

介绍了一项关于精馏塔板的最新发明专利。该发明抛开目前的气液两相在直接接触的传热中进行的实际上无法达到平衡的传质方式,使气液两相的传热过程在彼此隔离的情况下进行。每层塔板由两块无板孔的薄板组成,凭借间接传热在一层塔板上完成一次平衡蒸馏和一次平衡分凝:蒸馏残液流到下一层塔板,蒸馏产生的蒸气被分凝,凝液留在本层板继续蒸馏,分凝剩余则蒸气上升。汽、液的运动靠塔内3种不同的通道实现,该发明具有如下创新点:具有板效率高、板间距小、没有雾沫夹带。全效塔板的优势在于热力学上是在平衡状态下进行精馏;不足之处就在于动力学方面传热速率慢,弥补的方法是延长传热时间:现有塔板气相垂直穿过液相显然很快,新塔板气液两相水平逆向流动接触时间由塔径决定,大为延长。     

计算流体力学在精馏塔研究方面的应用进展

计算流体力学(CFD)已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,应用它可得知塔内气液两相微观的流动状况。本文对CFD的发展历史和CFD的通用软件的情况以及CFD在精馏塔研究方面的应用进行了综述。重点介绍了CFD在模拟板式塔塔板上和填料塔内气液两相的流动状况上的应用。     

微通道内气-液传质研究

以CO₂-H₂O为模型体系，实验考察了当量直径为667 μm的单通道和16个并行通道内的气-液传质行为.实验发现，液体表观速度增加，单通道内液侧体积传质系数明显提高;同一液体表观速度下，液侧体积传质系数随气体表观速度增加而增加;在实验数据基础上关联了液侧体积传质系数与气-液两相流参数间的关系.微通道内的液侧体积传质系数较常规尺度气-液接触设备至少高1～2个数量级.并讨论了并行微通道内气-液两相流分配特性对整体传质性能的影响，表明合理设计气、液流动分布结构，可保证微通道内优异的传质特性.     

筛板塔塔板上流场的模拟

运用气液两相湍流混合模型模拟求解了筛板塔塔板上气液两相流二维流速场分布。文中应用Ｋ－ε模型封闭雷诺方程，构成二方程湍流模型。通过理论计算与塔板上实测结果的比较表明，混合模型能够反映塔板上气液两相流二维不均匀分布的实际情况。因此，本文提出的气液两相混合模型是一个应用两相流理论模拟塔板上流型的新途径。     

立体传质塔板CTST研究和应用现状

综述了立体传质塔板CTST在石油炼制、污水处理、化工生产和天然气化工工艺的过程改造现状和CTST塔板的理论研究现状。工业应用表明,CTST塔板确实具有抗堵、消泡、提效、增产、节能和降耗等方面的优势。凭借实验手段和CFD模拟,理论经验研究主要集中板上气、液相流动及两相流动和喷射罩内流动,但有关于流动和传质结合的研究尚少。未来CTST塔板将主要朝着增加气液两相界面面积和增快界面更新速率,改善液体流动和浓度分布,增加气液传质推动力方向进一步提高其传质性能。     

固体颗粒对三相气升式环流反应器流动特性的影响

将液相视为连续相,气相和固相视为分散相,同时考虑各相之间的相互作用,结合气液固三相流体的动力学理论,建立气液固三相环流反应器三流体湍流流动的Eulerian模型.采用计算模拟软件Fluent对三相环流反应器的流动状况进行模拟,考察表观气速、固含率、颗粒大小对反应器的气含率以及液体流动速度的影响.模拟结果较好地解释了气升式环流反应器内的三相流体行为,模型与实验结果较好地吻合,表明了模型的可行性.     

持液量对乙二醇单乙醚催化精馏的影响及塔板的优化设计

提出以环氧乙烷和乙醇为原料、乙醇钠为催化剂,均相催化精馏合成乙二醇单乙醚的工艺。应用Aspen Plus模拟软件和Cup-Tower水力学分析软件,研究了塔板持液量对催化精馏过程的影响,建立了一种基于水力学可行的催化精馏塔板优化设计方法。模拟分析表明,塔板持液量对催化精馏过程有重要影响,过小的持液量将导致原料的转化率降低,而过大持液量将导致目标产物选择性下降,同时持液量受塔结构和塔板水力学条件限制。通过对催化精馏塔的塔径和溢流堰堰高等参数优化,得到优化的持液量数据比常规精馏塔的塔板持液量提高了约2.9倍,对应塔顶EO质量浓度为0.8%,目标产物的选择性为90.4%,可同时达到催化精馏的技术要求和塔水力学条件。