双效并流立体旋液式塔板压降的实验研究

采用全新工艺流程,设计了一种新型双效气液并流吸收塔,塔内安装有改进型立体旋液式塔板。分别以空气、空气-水作为研究体系进行实验,考察了不同操作参数与塔板结构参数下双效气液并流吸收塔的干塔压降、湿塔压降以及立体旋液式塔板的干板压降、湿板压降,明确了双效气液并流吸收塔的操作参数范围。实验结果表明:立体旋液式塔板单板干板压降及湿板压降分别控制在70 Pa,180 Pa以内。在一效、二效各逆向安装3块塔板,全塔共完全安装6块塔板时,全塔压降最大,但是干塔压降及湿塔压降可分别控制在2 400 Pa,2 800 Pa以内,双效气液并流吸收塔与立体旋液式式塔板的组合在能耗及操作弹性方面优势明显。     

立体旋流筛板并、逆流操作时压降的对比研究

立体旋流筛板(TRST)是一种新式穿流型塔板。前期研究均基于气液并流的操作形式,而逆流时的表现尚不明确。因此文章对TRST在并、逆流操作下的压降进行了对比研究,考察不同气液通量、塔板安装位置及安装方式对压降的影响,并测定了逆流操作下的载点及泛点。结果表明:2种操作下,塔板逆向安装时的压降均大于顺向安装;并流时各塔板气液负荷均衡,压降值≤550 Pa。逆流时可将操作域分为低负载区及高负载区。低负载区压降与同范围并流操作时相近;高负载区压降较大,操作域较窄且各板气液负荷不均。受限于液泛的影响,逆流操作时的压降值≤300 Pa。相较于并流操作,逆流操作时气量调节范围至少小45%,液量范围至少小37.5%。综合考虑,TRST更适宜并流操作。     

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%。     

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。     

整体式碳化硅填料旋转填充床并流压降特性研究

以空气-水为研究体系,在并流旋转填充床内采用整体式碳化硅(SiC)填料,利用单因素法,分别考察了转速、气量对干床压降的影响以及转速、气量、液量对湿床压降的影响。实验结果表明,对于干床压降,压降随转速的增大而减小,随气量增大而增大。当气量为183 m3·h-1、转速为1400 r·min-1时,压降为-140 Pa左右;对于湿床压降,压降随转速增大而减小,随气量增大而增大,液量变化对湿床压降影响不大。当气量为183 m3·h-1、液量为340 L·h-1、转速为1400 r·min-1时,湿床压降为-160 Pa左右。通过对实验数据的关联,分别得到了干床和湿床压降的关联式,与实验结果的偏差均在±15%以内。     

摇摆流化床的气固流动特性

采用二维床及D类玻璃珠颗粒,在表观气速U_g=0.267~0.978 m/s、摇摆幅值Θ=5°~15°、摇摆周期T=8~20 s的实验条件下,对摇摆流化床内气固流动过程及气体通过流化床的时均总压降进行了研究,并通过与常规直立床和倾斜床进行对比,分析了床体摇摆对气固流动的影响。结果表明,在平均角速度ω_ave>2(°)/s的条件下,当初始装料量和表观气速相同时,气体通过摇摆流化床的时均总压降低于直立床,高于相同最大倾角时的倾斜床;惯性力所产生的压降在0.15 kPa以下,其对床层压降的影响较小,床体倾斜导致气体向边壁区域聚集是影响摇摆流化床内气固流动特性的主要因素,由此导致床内存在固定床和下行移动床状态的非流化区域,使得处于流化区域的颗粒量减少,同时还降低了流化床层在竖直方向的静压。非流化区域的存在还会造成流化区域的气速高于直立床表观气速,两者表观气速之比为1.04~1.49。     

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 m³·h^-1、0.2~0.6 m³·h^-1范围内,使用激光粒度仪测量了液滴Sauter平均粒径（D₃₂）,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 m³·h^-1、0.4~0.6 m³·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。     

气-固循环流化床螺旋板式换热器的传热性能与压降

设计并搭建了气-固循环流化床螺旋板式换热装置,研究了空气流量(80～125 m³·h^-1)、颗粒加入量(0.5%～2.0%)和颗粒类型等操作参数对以恒温水作为热流体、空气作为冷流体、3种固体颗粒作为固相工作介质的循环流化床螺旋板式换热器传热性能和压降的影响。实验的结果显示,添加颗粒可以明显改善螺旋板式换热器的传热性能,但同时也会增大压降。在实验考察的操作参数范围内,强化传热效果最佳时的传热增强因子可以达到29.28%,此时系统内添加的颗粒为聚甲醛颗粒,空气流量为125 m³·h^-1,颗粒加入量为2.0%,但相应的压降比率也达到了20.86%。绘制了传热增强因子和压降比率的三维图以及综合影响雷达图,可指导工业应用。     

填料塔气液并流接触时压降的研究

以内径72 mm的玻璃吸收塔为主体,分别采用Mellapack-250X型金属孔板波纹规整填料以及Dg16塑料阶梯环散堆填料作为传质媒介。以水-SO2作为研究体系,结合气液逆流接触吸收试验对比分析气液并流接触时填料层压降的情况,并分别考察了气相动能因子F和液气比L/V对填料吸收塔气液并流接触时填料层压降的影响。填料层压降随着气相动能因子F的增大呈指数型增长,随着液气比的增加而升高,并流操作时的影响相对逆流操作时变化幅度较小。通过试验结果拟合出相应压降的关联式,为进一步的工艺设计与优化提供相关依据与理论指导。     

5mm微肋管内R404A流动沸腾压降特性

为了给冷链用换热器小管径的可行性提供理论支持，对R404A制冷剂在5mm微肋管内流动沸腾压降特性进行了实验研究。实验工况为：饱和温度为0℃、热通量为5～25kW/m²、质量流速为200～500kg/(m²·s)、干度为0.1～0.9。研究结果表明：质量流速的提高不仅会增大摩擦压降，同时使摩擦压降随干度变化的趋势提前转变；摩擦压降受热通量的影响较小，在0.1～0.7的干度区间，摩擦压降不随热通量的增大而改变，热通量仅会使摩擦压降的拐点提前出现；与光滑管相比，微肋管内的两相流动摩擦压降较高，增大质量流速会提高摩擦压降的增量，当干度值为0.4时，增量出现极值，随后增量逐渐上升。本实验研究的数据与理论预测模型的对比显示：修正后的Kim模型能够较佳的预测本实验数据，绝对平均偏差11.54%，偏差幅度±30%以内的数据多达85.23%。     

Flow regimes and pressure drop of a composite tridimensional rotational flow sieve tray under concurrent gas-liquid flow

A composite tridimensional rotational flow sieve tray (CTRST) is proposed. The flow patterns of CTRST were visually categorized, combined with the standard deviation of the pressure difference. In the TRST area of the internal packing-type tray, the membrane-drip column and foam-embolic flow is present, while bubbly and milk froth-ribbon flow is present in the packing area of the external packing-type tray. The effect of the tray structure parameters on the pressure drop under co-current flow was investigated. The dry and wet pressure drop is within 160 and 900 Pa, respectively. Under the same structural parameters, the pressure drop of the internal packing-type tray was higher than that of the external packing-type tray. The flow characteristics of the standard tray under the countercurrent flow were compared. The CTRST was found to be more suitable for co-current flow. A prediction model pressure drop under co-current was established with an error of 15.5%.     

氯碱电解槽内压力波动的混沌分析及流型识别

为研究氯碱电解槽内气液两相流动的压力波动特性和流型特点，对冷模电解槽阳极室内循环板上开口处的压力信号进行了混沌特性分析；利用高速摄像仪照相法及Kolmogorov熵下降法对流动形态进行了识别，绘制了流型图；利用流型图对不同电流密度下的两相流型进行了判定。结果表明，电解槽压力信号的吸引子具有分数维数，当电流密度大于6 kA·m^-2时，Lyapunov指数大于0，说明电解槽内两相流动具有混沌特性；对于测压点位置及电解槽下部，当电流密度小于5 kA·m^-2时，分别为射流充分发展段和孤立气泡流；电流密度为5 ~ 8 kA·m^-2时为射流过渡段和合并气泡流；电流密度大于8 kA·m^-2时为射流的初始段和合并气泡流。     

倒锥形填料筐精馏塔板的性能研究

提出了一种新型高效塔板——倒锥形填料筐新型精馏塔板(RTPLT),在冷模塔内对该塔板的流体力学性能和塔内液体停留时间分布情况进行了研究。由实验数据关联得到了干板压降、湿板压降和漏液率的经验式。结果表明:RTPLT具有塔板压降低、雾沫夹带小、处理能力大等优点,其塔内液体停留时间分布的主要因素是液体流量。     

基于流型的R290水平管内流动沸腾压降实验研究

丙烷(R290)作为一种性能优异的自然制冷剂,其两相流动压降特性在换热器设计及制冷系统优化等方面起到重要作用,而且目前对于低质量流率以及低饱和压力条件下的压降分析相对较少,且仅有少数研究结合流型进行分析。因此,开展了R290在内径6 mm的水平光管内压降特性实验研究。在如下实验工况范围内,质量流率70~190 kg·m^-2·s^-1,热通量10.6~73.0 kW·m^-2,饱和压力0.215~0.415 MPa,干度0~1,获取了压降实验数据,并进一步基于实验工况以及流型分析了加速压降、两相摩擦压降的变化趋势。对比了现有的摩擦压降关联式并基于Friedel模型,使用Re_v/Re_l 和液相Froude数Fr表征气液相相互作用,获取了一个新的基于流型的两相摩擦压降关联式。新模型可以很好地预测R290实验数据,预测结果的平均相对偏差(ARD)为-0.2%,平均绝对相对偏差(AARD)为5.2%,λ_30%为97.9%。对比文献中的实验数据,10组数据预测结果的ARD为10.0%,AARD为19.3%,λ_30%为80.3%,由此可见新模型具有一定的预测精度和适用性。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

涡发生器对脱硫系统除雾器性能的影响

通过数值模拟研究了平板、椭圆板、圆管、方管和三角管5种涡发生器分别安装于湿法烟气脱硫系统折流板除雾器中的除雾效率与压降。采用欧拉-拉格朗日方法分别求解气相-液相运动状态,入口流速U _in为3~6m/s,液滴直径范围2~80μm。结果表明,平板的除雾效率与压降增大最多,U _in=3m/s时,除雾效率相比无涡发生器高31.98%,压降高30Pa。平板对2μm液滴具有较高的除雾效率,最大为34.88%,比无涡发生器高20.81%。椭圆板U _in=3m/s时除雾效率比无涡发生器增加29.14%,压降升高20.47Pa。圆管、方管和三角管的总除雾效率分别高达95.05%、97.49%和96.48%。压降方面,方管为无涡发生器的4.18倍,圆管和三角管分别为2.05倍和2.79倍。另外,考察了椭圆板攻角的影响。在相同U _in下,除雾效率随着攻角的增加而增大,50°的椭圆板除雾效率为97.09%~99.15%。攻角对2μm液滴的分级除雾效率影响不大。压降随着攻角的增大而增加,U _in=4m/s时,攻角从0°增加到50°,压降从25.3Pa增加到92.78Pa。椭圆板因其迎流面积与长宽比的匹配以及流线型产生了较多涡流,具有良好的强化除雾效率效果以及较小的压降。     

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。     

Experimental study on energy consumption characteristics of rotational–perforated static mixers

An ideal static mixer can achieve efficient mixing at low pressure drops. Owing to the excellent performance of the tridimensional rotational flow sieve tray (TRST) in a gas–liquid two-phase system, the TRST structure was modified into a rotational–perforated static mixer (RPSM) to enhance mixing in multicomponent liquid systems. The energy consumption characteristics of the RPSM were experimentally studied based on Reynolds numbers in the range of 986–7892, gap L = 0–80 mm, and relative angle γ = 0–45°. The effects of the element installation method, number, gap, relative angle, fluid Reynolds number, fluid properties, and other parameters on the RPSM pressure drop were also investigated. An interaction analysis of each factor was performed using the factorial design method and an empirical model of the RPSM Z-factor was established. Additionally, pressure drop in the RPSM was compared with those of other commonly used static mixers. Results show that, when the element is backward-installed, the pressure drop is higher than that in the forward direction because the fluid is constantly twisted. Moreover, the pressure drop increases with increasing element gap, and the average increase is 43.64% and 19.28% for the forward and backward installations, respectively. The influence of the relative angle on the pressure drop is mainly reflected when the gap L = 0. Subsequently, the degree of influence of each factor was determined, and the Z-factor was calculated and found to be consistent with the experimental values (relative error of less than 15%).