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.     

环己烯水合过程汽-液两相流动的CFD研究

环己烯直接水合是制备环己醇的一种新工艺,本文利用体积率函数法（VOF法）建立了环己烯水合流动过程的数学模型,考虑了汽-液相间摩擦力动量源项、表面张力动量源项和多孔介质动量源项,定量描述了汽-液两相逆流流动过程。根据计算流体力学（CFD）模型模拟了黏度、表面张力和流动阻力对流动的影响,结果表明黏度和表面张力影响液膜厚度和液面波动程度,进而影响传质;流动阻力过大会导致液膜断裂,不利于传质。     

立式蒸发式冷凝器传热传质的CFD模拟

基于VOF算法,建立了立式蒸发式冷凝器气-液两相顺流传热传质的计算模型.根据CFD模型,计算了在不同气、液相进口条件下,管壁温度的分布、气-液相界面处潜热和显热换热量的关系,模拟得到的管壁温度分布与实验数据吻合很好.计算结果表明,降低进口空气的相对湿度、增大气相流速或者液相流量,都可增强气-液相间热质交换的剧烈程度;气-液相界面处的换热主要形式是由于水蒸发引起的潜热换热,占80%以上,它远远大于由于温度梯度而引起的显热换热量;气-液相界面处的蒸发潜热主要受空气的相对湿度影响,其次是气相流速和液相流量.     

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。     

气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究

为了研究降膜流动的动力学性质及其对气液传质过程的影响,在气液逆流的不同气液流动条件下采用激光多普勒(1aser Doppler anemometer,简称LDA)测量了降膜流动的液相速度分布和瞬时速度波动.和以往假定液膜外侧为自由表面,液膜表面处剪切力为零的Nusselt模型进行了比较,LDA测量结果表明气液逆流时降膜流动的最大液相速度出现在液膜表面之内,并且是以近界面区域的速度波动为特征的流动.在相同的降膜装置中进行了乙醇稀溶液的解吸实验,液相传质系数的实验测量值是渗透理论预测值的1～2倍.实验结果表明液相界面区域的速度波动加快了气液界面的表面更新速率,减小了传质阻力,强化了气液界面的传质过程.考虑液膜波动特征对气液接触情况的影响,从气液两相接触时间的角度出发,修正了渗透理论对液相平均传质系数的预测,预测结果和实验结果相吻合.     

加入第二液相强化气液传质

以水吸收二氧化碳为研究体系,考察了第二液相(有机相)的加入对气液传质的增强作用.运用经验关联式,对气泡平均直径进行了预测,应用渗透模型计算并讨论了第二液相的加入对气液接触界面积、体积传质系数的影响.实验结果表明:不同搅拌速度对气泡大小影响不同,适宜的搅拌速度有利于传质;少量的第二液相的加入减少了气泡聚并现象,增大了气液接触界面积.气液传质增强效果用增强因子表示.     

单乙醇胺水溶液化学吸收CO_2的研究

有机胺水溶液化学吸收CO2在工业上广泛应用,对其传质过程的微观机理进行研究十分必要。文中以对流扩散方程为基础,考虑了界面阻力对传质的影响,建立了带有化学反应的气液吸收过程液相侧非稳态传质模型,得到了传质系数表达式。利用激光全息干涉仪对不同液相主体流速下单乙醇胺(MEA)水溶液化学吸收CO2过程进行了实验研究,测定了传质达到稳态时的液相侧近界面浓度、浓度边界层厚度和传质系数。结果表明:随着液相主体流速的增加,近界面浓度和浓度边界层厚度减小,而传质系数增大;MEA在水溶液中的质量分数由0.1%增大到0.2%时,CO2吸收过程达到稳态时的近界面浓度、浓度边界层厚度及传质系数均增大。传质系数模型计算值与实验值吻合良好。     

吸收过程的界面传质机理

以分子热力学为基础 ,对气体吸收过程进行了理论分析 ,导出了传质通量的数学表达式。根据该文分析 ,气液界面传质的源动力来自界面处气液两相的不平衡 ,即只要有传质发生 ,液相界面处的浓度就不会达到与气相呈平衡的浓度。对于气相阻力可以忽略的吸收过程 ,两相传质速率的大小主要取决于液相的溶质界面浓度和液膜厚度 ,影响溶质界面浓度和液膜厚度的主要因素是近界面液相侧的流场分布。利用近界面浓度与液膜厚度的激光测定结果 ,计算了甲醇、乙醇及正丙醇吸收CO2 气泡的传质通量 ,计算结果与实验值吻合良好     

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。     

多排平直翅片管换热器表面气液降膜流动特性的三维数值模拟

基于VOF模型建立了考虑重力、表面张力及界面摩擦力源项的多排平直翅片管换热器表面气液两相降膜流动三维瞬态CFD模型。不同气流速度下液膜厚度模拟结果与文献中试验值吻合较好,最大偏差小于5%,表明所建立CFD模型是可靠的。通过研究壁面接触角为30°时不同气液Reynolds数下液膜流动特性,结果表明：翅片管表面满膜流的临界Reynolds数Re_l为239,临界喷淋密度为0.06 kg/(m·s);在239 ≤ Re_l ≤ 995内,其平均液膜厚度较Nusselt理论解高16.8%～35.1%;气液逆流和顺流时气相Reynolds数Re_g应分别小于2190.7和3286.0,其主要原因在于过高的Re_g会导致气液界面摩擦力快速增大,从而引发液膜破裂和液滴脱落等现象恶化设备性能。总之,气液顺流更有利于在较高气相Reynolds数下实现翅片管表面的较薄满膜流动。     

Three Dimensional Simulation of Liquid Flow on Distillation Tray

The liquid flow on a single-pass sieve distillation tray is simulated with a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) program with the K-ε turbulence model. In the model, a source term SMi is formulated in the Navier-Stokes equations to represent the interfacial momentum transfer and another term SC is added to the mass transfer equation as the source of interfacial mass transfer. The simulation provides the detailed information of the three-dimensional distribution of liquid velocity on the tray, the circulation area and the concentration profile along the height of liquid layer.     

规整填料表面液体分布的计算流体力学

采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)中的VOF方法对规整填料表面液相分布进行了三维建模和仿真,实现规整填料内液相分布的可视化并得到了液膜厚度和有效相界面积比等相关定量信息。通过分析比较不同物系的数值模拟结果,发现液体的表面张力和黏度都对填料表面上液体分布有影响。表面张力越小,液相在填料片上分布越均匀,有效相界面积比越大,液膜厚度越小;黏度增加,有效相界面积比和液膜厚度也随之增加。较之于黏度对液相分布的影响程度,表面张力的影响程度更大,为主要影响因素。本文还提出一个预测有效相界面积比的新公式,并将数值模拟结果与已有文献进行对比,吻合性较好。     

Prediction of effective area and liquid hold-up in structured packings by CFD

Interfacial effective area and liquid hold-up in structured packing geometries are investigated using the volume of fluid method. Three-dimensional numerical simulations of gas–liquid flow on inclined plane plate and in a structured packing are performed. The VOF method is used to capture the gas–liquid interface motion. After a first validation case on the wetting phenomena prediction on an inclined plane plate, the effective interfacial area, the liquid hold-up and the degree of wetting of packing are studied as function of liquid flow rate and wall surface characteristic (adherence contact angle). Results show that the liquid flow-rate and the contact angle play a significant role. It is found that the interfacial effective area and the degree of wetting of packing increase as the liquid flow rate increases and as the contact angle decreases. Moreover, under the influence of the contact angle, different liquid film shapes are observed. The simulations results are compared to experimental data available in literature. This work shows that the CFD is a powerful tool to investigate performance characteristics of structured packings. Moreover, this work shows how CFD can be used as an effective tool to provide information on fluid flow behavior and determination of interfacial area, liquid hold-up and minimum flow-rate to ensure complete wetting. These parameters could be further used in process simulation at larger scale for the development and the design of efficient packings.     

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.     

利用CFD及结点网络相结合的方法研究规整填料传质效率

气液两相不均匀流动是造成填料塔传质效率下降的主要原因之一.采用计算流体力学方法,定量分析规整填料内气液两相流动对传质效率影响的研究尚未见文献报道.从Navier-Stokes方程出发,首先建立了考虑气液之间相互作用的CFD计算模型,定量描述了填料片内的气相流场分布.在此基础上,结合文献中提出的液相结点分布模型及一些经典的传质理论,初步提出了适用于定量计算金属板波纹填料传质效率的耦合型算法,并对规整填料内的传质效率进行了计算,模型结果与实验值吻合较好.为规整填料传质效率的定量研究提供了新的方法和思路.     

BASIC EQUATION OF TURBULENCE AND MODELING OF INTERFACIAL TRANSFER TERMS IN GAS-LIQUID TWO-PHASE FLOW

Turbulence is one of the most important phenomena in analyzing thermohydrodynamic characteristics of gas-liquid two-phase flow. For the purpose of accurate prediction of the turbulence phenomena, a basic conservation equation of Reynolds stress was derived based on the local instant formulation of mass and momentum conservations of two-phase flow. In this equation, interfacial transfer terms of turbulence appear as source terms. Detailed considerations on these transport terms were carried out. It was shown that they consist of a viscous damping term due to small scale interfacial structures, a drag induced turbulence generation term due to large scale interfacial structures and a term representing the exchange between surface energy and turbulence. Based on the mechanistic modeling and turbulence modulations, carried out were physical interpretations of interfacial area concentrations of small and large scale interfacial structures, a viscous damping term due to small scale interface and turbulence generation term due to large scale interface.     

化学吸收法测定新型复合转子旋转床气液有效比表面积及液相传质系数

用不同浓度的NaOH溶液吸收CO2,分别测定新型复合转子旋转床的气液有效比表面积和液相传质系数,考察了液量、气量和转速的影响. 结果表明,新型复合转子旋转床的有效比表面积和液相传质系数均随液量、气量和转速增大而增大. 在相同操作条件下,与折流式旋转床相比,新型复合转子旋转床转子的有效比表面积增大7%~159%,液相传质系数降低7.7%~18.2%,最终液相体积传质系数增大4%~132%.     

单个固体颗粒促进薄液膜破裂的格子Boltzmann研究

采用等温格子Boltzmann方法两相流模型结合颗粒运动模型对单个颗粒与薄液膜之间的相互作用进行了研究。通过模拟直观展示了单个球形疏水颗粒导致液膜破裂的详细过程,模拟结果表明与薄液膜接触的球形疏水颗粒会导致液膜弯曲变形从而产生毛细力,毛细力会驱动液膜在颗粒表面移动从而导致液膜破裂。疏水颗粒的接触角对液膜破裂的时间有明显影响,模拟发现接触角为106.7°的疏水颗粒导致液膜破裂时间最短。此外,当液膜的厚度发生变化时,颗粒导致液膜破裂的时间也会不同。