文丘里型气液分布器的实验与数值研究

以一种文丘里型气液分布器为对象,在直径为28 cm的冷模装置中考察了其流体力学性能。气、液流量分别在5~25 m~3·h~(-1)、0.2~0.6 m~3·h~(-1)范围内,使用激光粒度仪测量了液滴Sauter平均粒径(D_(32)),并测定了其分布均匀性和抗塔板倾斜性能。结果表明:文丘里结构加强了气液混合,与泡罩型分布器相比,此分布器具有更好的液滴破碎性能;气速增大会使出口液体从伞状流变为喷射流,但仍能在直径约为出口直径10倍的区域内均匀分布;在气、液相负荷分别为10~20 m~3·h~(-1)、0.4~0.6 m~3·h~(-1)时,液位在进液口和进气口之间,此时分布器具有优异的抗塔板倾斜性能。采用计算流体力学软件模拟了分布器内部气液流动过程,得到了相含率和速度矢量图,所得结果有利于分布器的分析与改进。     

循环曝气生物反应器的流体力学和传质特性

循环曝气生物反应器是一种具有曝气筒的用于废水处理的生物反应器,曝气筒外为下降区,常常填充填料作为微生物生长的载体。从循环液量(V_l)、环流液速(U_ld)以及停留时间分布函数的量纲1方差(σ_θ²)等方面研究了循环曝气生物反应器的流体力学性能和传质特性。研究表明,在下降区内有或无填料以及不同曝气筒截面积与反应器截面积比值(A_r/A_re)的情况下,循环曝气生物反应器内的循环液量与气体流量之间均符合幂函数关系,A_r/A_re对循环液量或循环液速的影响是先增后减,极值点为0.11。下降区放置填料降低了循环液量、循环液速,但提高了σ_θ²,改善了液相传质性能。当A_r/A_re为0.11时,在液体进料为0.1 m³·h^-1、气体流为量0.5~3.1 m³·h^-1的情况下,循环曝气生物反应器内的液相循环量是液相进料的9~28倍、σ_θ²为0.9以上,循环曝气生物反应器具有较好的液相混合和稀释能力,可直接处理高浓度废水。     

摇摆对气液并流模式立体旋流筛板压降的影响研究

以空气-水为实验介质,在喷淋密度78～182 m³·(m²·h)^-1、气相动能因子1.19～2.77 m·s^-1·(kg·m^-3)^0.5、摇摆幅值Θ=5°～15°、周期T=8～20 s的条件下,测定了气液并流模式下立体旋流筛板(TRST)的压降,考察了气液通量、塔板数量、位置和方式对压降的影响,并与直立和倾斜工况对比。结果表明：增加倾斜及摇摆角度干板压降略微下降;摇摆时的湿板压降介于直立和倾斜之间,受摇摆角度影响较大,基本不受周期影响;增大气量有利于抵抗倾斜及摇摆的影响,而增大液量会使倾斜及摇摆的影响作用加剧。整体上,塔板顺、逆向安装时的湿板压降分别在100 Pa和170 Pa以内,而逆向安装的变化率约为顺向的2倍,这是由于逆向安装下改变了气液流动方向,增大了能量损失。建立了气液并流摇摆工况下TRST的湿压降预测模型,相对误差在15%以内。     

新型多降液管塔板的流体力学性能及其流场CFD模拟

开发了一种流场均匀且液相处理能力大的新型多降液管塔板。本文以水和空气为介质，在内径1219mm的有机玻璃塔内，研究了新型多降液管塔板的流体力学性能。结果表明，在相同气液负荷下，相较于弓形降液管塔板，新型多降液管塔板具有湿板压降低、雾沫夹带量小和漏液少等优点。同时新型多降液管塔板继承了多降液管（MD）塔板液相负荷高的特点，在空塔动能因子2.4(m/s)·(kg/m³)^0.5的条件下，全塔喷淋密度仍可高达80m³/(m²·h)。对塔板上液相流场的流体流动特性进行了计算流体力学（CFD）分析，并将模拟结果与MD塔板进行对比。结果表明，新型多降液管塔板降液管的结构和排布方式使得塔板上液体流动更加均匀，预期可以获得更高的塔板效率。     

水力喷射-空气旋流器用于湿法烟气脱硫及其传质机理

在一种新型高效的气液传质设备--水力喷射-空气旋流器(WSA)中,以Ca(OH)₂料浆为吸收剂进行了模拟烟气湿法脱硫的实验研究。结果表明:脱硫率随进口气速增加而增加;随液体喷射速度增加先增加,增加到一定程度后几乎不变;随烟气中SO₂的进口浓度增加而减小,存在一适宜的Ca(OH)₂浓度和回流比。在气体流量24～72 m³·h^-1、循环液体量0.4～0.8 m³·h^-1、料浆中Ca(OH)₂浓度7500 g·m^-3时,对SO₂浓度为1891～6373 mg·m^-3的烟气进行湿法脱硫,脱硫率达88.9%～97.7%,且WSA的旋流气体和喷射液体在湿法脱硫中具有自清洁能力,未发现内部结垢和喷孔堵塞现象。总体积传质系数K_Ga、有效相界面积a均随进口气速u_G增大而增大,而总传质系数K_G随u_G增加变化较小;当液体喷射速度 u_L≤0.26 m·s^-1时,K_Ga和K_G随u_L增加快速增大,之后增加缓慢,而a随u_L几乎线性增加,K_Ga和K_G随吸收剂中Ca(OH)₂浓度c_L增加有一最大值。结合实验数据拟合得到了相关的经验公式,这些关联式能较好地预测WSA的湿法脱硫传质性能。气体旋流场强度对总体积传质系数K_Ga和有效相界面积a起支配作用,脱硫传质过程同时受气膜和液膜阻力控制,但以液膜控制为主。     

箱式气液分布器的研究开发

介绍了箱式气液分布器的原理、分类和结构特点,分析了该气液分布器的优良性能,指出箱式气液分布器具有在化工传热传质领域填料塔内广泛应用的前景。     

冷却水流量对ORC系统性能影响的实验研究

采用自主研发的单螺杆膨胀机作为机械动力,实验研究了冷却水流量对ORC余热发电测试系统及单螺杆膨胀机性能的影响。实验结果表明：当冷却水流量从8 m³·h^-1升至19 m³·h^-1时,单螺杆膨胀机输出功和轴效率分别从4.31 kW、36.38%增至5.15 kW、41.1%,分别增加了19.5%、13%。针对本实验系统,在考虑润滑油泵、工质泵、冷却水泵和冷却塔风扇等所有系统辅机功耗之后,当冷却水流量为12 m³·h^-1时,系统净输出功和系统净效率达到最大值,分别为2.44 kW和2.47%。通过研究冷却水流量对ORC系统性能的影响,为ORC冷却系统的设计和优化系统性能提供重要的实验依据。     

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。     

MDEA+MEA天然气脱碳工艺影响因素

基于自主设计建设的胺法脱酸中试实验装置,针对目前常用的天然气脱碳方法醇胺法,利用工业中应用较多的N-甲基二乙醇胺(MDEA)+一乙醇胺(MEA)的前期优选配方(2 mol·L^-1+1 mol·L^-1),进行醇胺法脱碳装置工艺参数优化实验研究,结果用于指导工业生产。本文在CO₂含量6%和4%两种原料气气质下,采用控制变量法,分析了吸收和再生参数对胺法脱碳工艺的影响规律,优选出操作参数。结果显示:在本实验操作参数范围内提高吸收温度、吸收压力和胺液循环流量有利于提高胺液吸收性能,提高再生温度、降低再生压力有利于提高胺液再生性能,但各参数受到反应机理、气液平衡、装置能耗、胺液性质等影响,存在最优值;本实验装置系统下,原料气处理量为50 Nm³·h^-1时,MDEA+MEA脱碳的优化工艺操作参数为:吸收温度55℃,吸收压力3.5~4 MPa,胺液循环流量0.25 m³·h^-1,再生温度120℃,再生压力50 kPa。     

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。     

固定床反应器中气液分配器的流体力学性能

设计了一种底部带有碎流板的新型管式气液分配器。以水和空气代替工业上的原油和氢气进行冷模实验。实验过程为:水由水箱经水泵抽出,经液体流量计计量后进入实验塔上部的气液扩散器,气液两相流经急冷箱冷却后同时向下通过分配器。进入到接液装置的液体通过橡胶管导入到放置在地面上的17个标有编号的量筒中,未进入接液装置的液体流入水箱,气体则排放到大气中。最后用U形管差压计测量分配器的压力降。实验研究了该分配器的分配性能、压力降损失、气液相操作弹性和分布不均度,优化并确定该分配器的结构形式和结构参数。结果表明,该分配器的最佳工作条件为:液相量为0.3m³/h左右,气相量为20~30m³/h。     

基于临界分流理论的气液两相流均匀分配器

提出了一种新型气液两相流分配器,主要由旋流叶片、整流器、分流喷嘴以及分配腔室组成。通过采用“流型调整”与“临界分流”控制相分离。为研究不同分流比下的分配特征,设计了2喷嘴和4喷嘴两种分配结构。建立了气液两相流数值模型,模拟了气液两相流在分配器内流动特性。在气液两相流实验环道上进行了测试,气相折算速度范围为5.0～25.0 m·s^-1,液相折算速度范围为0.012～0.14 m·s^-1,实验中出现的流型包括波浪流、段塞流以及环状流。结果表明,在临界分流条件下,气液相分流系数主要取决于与侧支管相连通的分流喷嘴数目与总喷嘴数目的比值,不受流型、气液流速等参数波动的影响。对于2喷嘴分配器分流系数接近理论值0.5,对于4喷嘴气液分流系数约为0.25。     

搅拌槽内气液两相混沌混合及分散特性

传统Rushton刚性桨常应用于过程工业中搅拌反应器内的气液分散过程,但由于桨叶背后易形成较大的气穴,气液混合效果较差。为了提高搅拌槽内气液两相的混合效果,提出了一种刚柔组合桨强化气液两相的分散过程。利用LabVIEW软件处理刚性桨和刚柔组合桨体系中气液混合过程的压力脉动信号,通过Matlab软件编程计算最大Lyapunov指数（LLE）,分析气液混合体系的混沌混合行为,同时,对刚性桨和刚柔组合桨体系中的相对搅拌功耗、整体气含率、局部气含率进行测量。结果表明,在功耗为170 W,通气量为10 m³·h^-1条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够通过刚-柔-流的耦合作用促进桨叶能量的传递过程,提高搅拌体系的混沌混合程度,刚柔组合桨体系的LLE提高了8.89%。同时,在相同操作条件下,与刚性桨相比,刚柔组合桨能够有效提高相对搅拌功耗以及搅拌槽内的整体气含率和局部气含率,且搅拌槽内气体分散更为均匀。     

载气增湿蒸发技术处理切削废液的研究

利用空气作为载气,采用蒸发塔进行了载气增湿蒸发浓缩切削废液的实验,探究了操作条件对蒸发过程的影响。随着载气流量的增加,容积传质系数、蒸发量和整塔压降均增大,出口载气VOC浓度减小;随着载气温度、循环流量的增加,容积传质系数、蒸发量、整塔压降和出口载气VOC浓度均增大。实验条件下容积传质系数及蒸发量最大达到了13.95 g·（m³·s）^-1和3.39 kg·h^-1;出口载气VOC浓度最大为6.2 mg·L^-1,小于《大气污染物综合排放标准》中规定值。研究结果表明载气增湿蒸发工艺能有效浓缩切削废液,为工业化应用奠定了基础。     

一体化笼式生物脱氮反应器水力特性

水力特性是生物脱氮反应器高效稳定运行的基础,采用脉冲刺激响应技术研究了一体化笼式生物脱氮反应器的水力特性。试验结果表明:在水力停留时间为4 h,水力负荷为6.0 m³·m^-3·d^-1,表面流速0.145 m·h^-1的条件下,该反应器的流态趋于全混流。以多釜串联模型表征,供气量为1.714、3.214、6.429、8.571 m³·m^-3·h^-1时的串联釜数依次为1.55、1.56、1.54和1.55;以轴向扩散模型表征,对应的Peclet数分别为1.479、1.503、1.466和1.478;两个模型预测结果一致。反应器总死区的均值为41.63%,其中水力死区的均值为21.99%。在所试范围内,供气量对其水力特性的影响较小。     

水力自驱旋转式能量回收装置的转速推导

为建立海水淡化水力自驱旋转式能量回收装置（HRERD,Hydro-Drive Rotary Energy Recovery Device）转子转速与系统流量间的关联关系,对特定几何规格的能量回收装置的转速变化规律进行了理论推导和实验验证。运用动量定理建立了转子受流体水力冲击而产生的动力矩与转子转速的关系式;以微元法为基础,运用牛顿黏性定律建立了转子周面和端面因流体黏性阻力而产生的阻力矩与转子转速的关系式;利用转子稳定时所受动力矩与阻力矩间的平衡关系,推导得到装置转速与系统流量间的理论公式。对装置在系统流量分别为4.4、5.0、6.0和7.1 m³·h^-1时的理论转速与实验转速比较分析表明,理论转速略高于实验转速,两者相对误差不超过12%,对误差形成的可能原因也进行了分析说明。