新型分段进液式旋转填充床气相压降特性研究

作为一种新型过程强化设备,分段进液式旋转填充床充分利用端效应原理对液相进行有效分散和细化,进而强化混合及传递过程。今采用空气-水体系对新型分段进液式旋转填充床气相压降特性进行实验研究。考察转子转速、气体流量、液体流量对分段进液式旋转填充床气相压降的影响规律。实验研究结果表明,分段进液式旋转填充床气相压降随转子转速、气体流量的增大而增大。在低气体流量情况下,随液体流量的增大,气相压降变化不大;在高气体流量下,气相压降随着液体流量的增大而增大。同时,本研究还对转子尺寸大小与分段进液式旋转填充床相同的传统旋转填充床的压降进行了对比研究,结果表明在相同操作条件下分段进液式旋转填充床的压降与传统旋转填充床相比有明显下降。     

错流旋转填料床气相压降特性

旋转填料床的气相压降是旋转填料床应用和设计的一项重要指标。在气液两相错流流动条件下,利用空气-水系统对错流旋转填充床的气相压降进行分段模型化和实验研究。按照错流旋转填料床气体流动的路径将气相压降分为进口压降、填料层压降、集气段旋转动能转化压降和出气段压降。推导出压降与操作工况的关联式,其计算值与实测值吻合较好。实验表明错流旋转填料床的气相总压降与气体流量、旋转床转速、液体流量有关。在高转速和小气量的条件下,气相压降随气量增大先下降后上升;其他情况随气量增大而上升。错流旋转填料床气相压降随转速上升而下降,在小气量情况下转速对气相压降有明显影响。气相压降随进液量的增大而增大,当旋转填料床在低转速时进液量对气相压降有明显影响。     

动-静填料旋转床内部气相流场CFD模拟研究

通过对动-静填料旋转床进行简化,建立了二维物理模型,采用计算流体力学软件Fluent中多孔介质模型对旋转填料床内部流场进行了模拟研究。通过对旋转填料床进口结构形式、填料层厚度、动填料转速及进气速度对气相压降和速度分布影响的模拟研究,得出切向进口旋转填料床内气体分布更均匀;保持填料外径不变,增大填料层厚度,气相压降随之降低;气相压降随动填料转速和进气速度的增加而增大,这与常规的整体填料旋转床保持一致。     

新型径向叶片式旋转床压降分析及气相流场模拟

针对折流式旋转床压降高、能耗大的问题,提出了一种新型超重力旋转床设备--径向叶片式旋转床。首先,对该旋转床的压降进行了理论分析和建模,并利用水-空气体系进行了实验研究。通过改变气量、转速和液量探究了新型径向叶片式旋转床压降的变化规律,结果表明压降随气量、转速和液量的增加而增加,且随着气量和转速的增加,液量对压降的贡献逐渐减小。压降模型的预测值与实验数据的相对偏差基本在10%以内,表明模型可以较好地预测新型径向叶片式旋转床的压降。另外,通过计算流体力学（CFD）软件的模拟获得了旋转床内气相流场和压力分布的结果,发现转子内压降是总压降的主要部分;气体进入转子后会因叶片作用使得周向速度变大,并在转子外缘处达到最大值;气体的进口流速将会影响旋转床内的气相分布。利用实验数据对CFD模拟结果进行了验证,两者的相对偏差在10%左右。     

同心圈式超重力旋转床液泛模型

同心圈式超重力旋转床是一种新型超重力旋转床。液泛是超重力旋转床流体力学的重要特征。同心圈式超重力旋转床液体分布器和转子内缘之间的环形空间内的液滴被气体夹带,液滴受到离心力和气体曳力的作用,通过建立微分方程可获得液滴径向速度为零时的液滴运动径向距离。当该径向距离小于环形空间的径向距离,此时产生雾沫夹带液泛。由此建立同心圈式超重力旋转床雾沫夹带液泛模型。实验以空气和水为物系,测定了转子直径为1000 mm、高度为100 mm的同心圈式超重力旋转床在不同转速和表观液速下气体进口和出口之间的气相压降随表观气速的变化。气相压降随表观气速的增大先缓慢增大后快速增大。用表观气速对气相压降求导和目测旋转床中心气体出口处出现大量液体被气体夹带来确定液泛点气速。通过液泛点气速求得雾沫夹带液泛模型的系数k,并对该系数k进行关联。该雾沫夹带液泛模型的计算值和实验值吻合很好,平均偏差为3.1%。该模型优于Sherwood液泛模型,对同心圈式超重力旋转床的工业应用提供了必要的设计依据。     

折流式旋转床气液比表面积的实验研究及CFD模拟

气液比表面积对折流式旋转床(RZB)的传质起到关键的作用。本文采用NaOH溶液化学吸收混合气体中CO_2的方法对折流式旋转床的气液比表面积进行了研究,通过计算流体力学(CFD)技术来模拟转子内液体的流动行为。分析转子转速、气体流量和液体流量对气液比表面积的影响。结果表明:折流式旋转床的比表面积在100~350m~2/m~3范围内,折流式旋转床的气液比表面积随液量的增大而增大,随气量的增大明显增大,随转速的增加先缓慢增大后迅速增大。CFD模拟表明,随液量的增加,动静圈之间的液滴数量明显增多,并且静圈上更多的表面被液膜覆盖;随气量的增大,更多的液体被碎成细小的液体,液滴的数量成倍增加;随转速的增大,动圈施加给液体的剪切力和离心力增大,液体被更好地分散,并且离开动圈的液滴尺寸变得更小。RZB与其他类型填充旋转床(RPB)的气液比表面积进行对比,发现RZB的比表面积低于分段进液式RPB、常规不锈钢金属网RPB、镍泡沫填料RPB、新型多个叶片转子RPB,接近于板式填料和挡板PRB。     

错流同心圆环旋转床的气相压降

在转速为865～1 300 r/min、液体体积流量为0～1600 L/h的情况下,以空气-水为体系,在直径为400 mm的错流同心圆环旋转床内,对其气相压降进行分段模型化和实验研究,并得到了压力降与操作工况的关联式.该关联式的计算值与实测值比较吻合.实验结果表明,错流同心圆环旋转床的湿床压降比干床压降大,气相总压降随气量和转速增大而明显增加,但随液量增大而缓慢增加.     

规整丝网填料旋转填充床的气相压降特性及脱硫性能

采用空气-水体系,对装有4种不同规格规整丝网填料的旋转填充床的压降特性进行了实验研究,考察了转速、气体流量、液体流量等操作参数及填料特性对气相压降的影响规律,并与传统不锈钢波纹丝网填料旋转填充床压降进行了比较. 结果表明,装有规整丝网填料的旋转填充床压降可降低35%~70%. 进一步采用压降较低的规整丝网填料以(NH4)2SO3为吸收剂进行氨法脱硫性能研究,结果表明,随转子转速和(NH4)2SO3浓度增大,SO2脱除率升高;随进气口SO2浓度升高及气液比增大,SO2脱除率降低;SO2脱除率最高可达97%,可满足国家排放标准.     

网板填料复合旋转床的流体力学与传质性能

开发了一种新型的气液接触设备——网板填料复合旋转床。常压下以空气-水物系和乙醇-水物系在网板填料复合旋转床中进行流体力学与传质性能实验,考察了气液流量和转子转速对网板填料复合旋转床压降和传质性能的影响。实验结果表明,气体流量和转子转速的增大均使干、湿床气相压降增大;液体流量的增加对湿床压降的影响不明显。回流量和转速的增加均使等板高度减少至一定值后几乎不变。网板填料复合旋转床具有通量大、效率高、压降小的特点。     

颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟

运用考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散影响的颗粒动理学方法,建立鼓泡流化床气固两相Euler-Euler双流体模型,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性。分析表明,颗粒平动温度与旋转温度之比是法向和切向颗粒弹性恢复系数和摩擦系数的函数。与不考虑颗粒旋转效应计算结果相比,考虑颗粒旋转效应后床内较容易形成气泡,颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显。并且床层平均空隙率和床层膨胀高度增加,床中心区域颗粒轴向速度提高,床内颗粒平动温度下降。考虑颗粒旋转效应后预测的颗粒轴向速度和颗粒脉动速度与文献实验结果基本吻合。考虑颗粒旋转效应后获得的气泡直径更接近于前人经验关联式。     

分层填料对旋转填料床气相流场影响的数值模拟

通过设计简化的分层填料旋转床(SP-RPB)模型,采用计算流体力学方法(CFD)对比同尺寸旋转填料床(RPB)的稳态气相流场。分析转速和进料速度对气相压力、相对速度及湍动能分布的影响,同时还考察了单位丝网圈上的压降情况。结果表明,在气体进入各级填料位置的相对速度出现峰值,湍动能分布与之相同,各峰的出现位置仅由填料位置决定,两者共同表明SP-RPB具有多个端效应区域。转速增加对相对速度峰值大小有更明显的提升,较大的进料速度使填料内气体的速度波动更大,也使湍动能的峰值有所增加。由于SP-RPB内填料厚度较RPB变薄,从整个设备范围上看,SP-RPB表现出更低的压降。进气速度提高和转速降低使SP-RPB两层填料间的高压范围变窄,但SP-RPB的单位丝网圈数压降更大。     

错流旋转填料床气相压降特性研究

旋转床的气相压降是旋转床工程设计的一项重要指标。笔者利用空气,水系统对错流旋转填料床的气相压降进行实验研究。结果表明：在实验范围内,错流旋转床压降是逆流旋转床的十分之一;对错流旋转床压降影响较大的是转速和气量,与液流量几乎无关。     

并流旋转床压降与传质特性的研究

利用水-空气系统对并流旋转床的气相压降进行了研究,并与逆流旋转床气相压降进行了对比。研究结果表明：并流较逆流旋转床的气相压降低;并流旋转床的气相压降随气体流量的增大而增大,随液体流量的增大而减小,随转速的增大明显降低;而逆流旋转床的气相压降随转速的增大明显升高。利用水吸收SO2的实验对并流旋转床的传质特性进行了研究。研究结果表明：并流旋转床填料层内各点的体积传质系数随着气体流量、液体流量和转速的增大而增大;填料层半径由70mm增大至90mm时,并流旋转床的体积传质系数迅速增大,而后并流旋转床的体积传质系数随半径的增大而减小。对并流和逆流旋转床填料层内体积传质系数进行了对比。结果表明：填料层半径由70mm增大至130mm时,并流旋转床的体积传质系数较逆流时大;当半径大于130mm后,逆流旋转床的体积传质系数大于并流旋转床的体积传质系数,且随半径增大而增大。根据研究结果,提出了降低系统压降的设想,即并流与逆流旋转床串联操作。     

Analysis of flow in rotating packed beds via CFD simulations—Dry pressure drop and gas flow maldistribution

Three-dimensional unsteady-state turbulent rotating single-phase flows were simulated in rotating packed beds (RPB) and were validated using overall dry pressure drop measurements for three RPB designs [Liu, H.-S., Lin, C.-C., Wu, S.-C., Hsu, H.-W., 1996. Characteristics of a rotating packed bed. Industrial and Engineering Chemistry Research 35, 3590-3596; Sandilya, P., Rao, D.P., Sharma, A., Biswas, G., 2001b. Gas-phase mass transfer in a centrifugal contactor. Industrial and Engineering Chemistry Research 40, 384-392; Zheng, C., Guo, K., Feng, Y.D., Yung, C., 2000. Pressure drop of centripetal gas flow through rotating bed. Industrial and Engineering Chemistry Research 39, 829-834]. Analysis of the radial and tangential velocities highlighted the impact of gas feed entrance effects on the peripheral gas maldistribution in the rotating packing module. Recommendations were formulated for an optimum design with the aim to reduce gas flow maldistribution in RPBs. Breakdown of the overall pressure drop in its modular components for the housing, the rotating packing module, the free inner rotational zone, and the gas disengagement showed that the dissipation in the rotating packing could be a minor contributor to the overall pressure drop which may be undesirable in terms of RPB mass transfer and reaction efficiencies. Analysis of the simulated pressure drops allowed development of CFD-based Ergun-type semi-empirical relationships in which the gas-slip and radial acceleration effects, the laminar and inertial drag effects, and the centrifugal effect were aggregated additively to recompose the pressure drops in the rotating packing module.     

Numerical simulation and experimental study of the characteristics of packing feature size on liquid flow in a rotating packed bed

Rotating packed bed has high efficiency of gas–liquid mass transfer. So it is significant to investigate fluid motion in rotating packed bed. Numerical simulations of the effects of packing feature size on liquid flow characteristics in a rotating packed bed are reported in this paper. The particle image velocimetry is compared with the numerical simulations to validate the turbulent model. Results show that the liquid exists in the packing zone in the form of droplet and liquid line, and the cavity is droplet. When the radial thickness of the packing is less than 0.101 m, liquid line and droplets appear in the cavity. When rotational speed and radial thickness of the packing increase, the average diameter of the droplets becomes smaller, and the droplet size distribution becomes uniform. As the initial velocity of the liquid increases, the average droplet diameter increases and the uniformity of particle size distribution become worse. The droplet velocity increases with the radial thickness of the packing increasing, and gradually decreases when it reaches the cavity region. The effect of packing thickness is most substantial through linear fitting. The predicted and simulated values are within ±15%. The cumulative volume distribution curves of the experimental and simulated droplets are consistent with the R-R distribution.     

错流旋转填料床气相压降的研究

利用空气-水系统对错流旋转填料床的气相压降进行了实验研究。采用因次分析的方法推导出错流旋转填料床气相压降的无因次关联式。结果表明,错流旋转填料床欧拉准数在旋转填料床转速与气速之比(旋流比)小于30时,欧拉准数随旋流比的增大反而减小;当旋流比大于30时,欧拉准数随旋流比的增大而增大。旋流比小于30时欧拉准数与填料层轴向厚度的0.9次方成正比,旋流比大于30时欧拉准数与填料层轴向厚度的0.5次方成正比。湿床旋流比小于30时,欧拉准数随进液量的增大而上升;旋流比大于30时,欧拉准数随进液量的增大而下降。     

折流式旋转床气相流场数值模拟研究

采用CFD方法对折流式旋转床气液两相流动及压降进行数值模拟,建立了二维物理模型,研究了折流式旋转床转速、动静圈对数、进气量对气相压降和气相流场的影响,并用实验数据对模型进行验证. 结果表明,计算与实验相对误差在15%以内. 气相压降随进气量和动静圈对数增加而显著增大;转速增加,压降增大,但不明显,压降主要集中在转子内部,占总压降的88%~97%,其中转子压降的55%~73%由拐弯处的摩擦阻力引起;气体在静圈下隙存在回流,在动圈上隙气体流动缓慢,存在流动死区,气速主要以切向速度为主(占80%以上),峰值位于转子外缘,并与气体入口存在较大速度梯度,径向和轴向速度所占比例较小,且因位置不同而不同. 速度变化和压降的变化是转速、进气量和动静圈数等共同作用的结果.