董梅英[1]2016年在《错流与逆流旋转填料床传质性能对比研究》文中进行了进一步梳理超重力旋转填料床(RPB)是超重力技术实现的载体设备,是通过填料高速旋转产生离心力场强化气液间的扰动作用,以提高气液间传质效率。RPB对气液间传质过程具有明显的强化作用,其传质系数较重力场传质设备可提高1~2个数量级。错流与逆流作为旋转填料床最为常用的两种结构,气液接触方式及流场分布存在显著差异,因此其传质性能各不相同。研究者们分别对错流与逆流RPB气液传质特性进行研究,其中传质对比研究结果存在较大差异,这是由于研究过程忽略设备尺寸、研究体系及参数范围的不同,直接将实验结果进行对比。且多数采用转速、气量和液量等与设备尺寸相关的操作参数,研究结果通用性不强。本文搭建错流与逆流RPB传质性能对比研究平台,以实验室自主设计的两台转子尺寸相近的错流与逆流RPB作为实验研究设备,选取实验范围:气速u(0~2.03)m/s,液体喷淋密度q(0~33)m3/(m2·h),超重力因子β(0~250),气体停留时间t(0.02~0.27)s,选取丝网填料及散装星形填料,以CO2~NaOH溶液为实验体系,采用化学吸收法对两种结构RPB气液传质性能进行实验研究。以有效传质比表面积ae、液相体积传质系数kLa表征传质效果,系统研究了丝网填料错流与逆流RPB传质特性。结果表明:q对错流与逆流RPBae影响最为显著,u对错流RPBk La影响最为显著。两种结构RPBkLa及ae均随u、q及β增加而增大,kLa随t增加先平缓增加后迅速下降;ae随t增大而降低。得到丝网错流与逆流RPB最适宜的操作条件:u=1.69m/s,q=32.00 m3/(m2·h),β=104.00,t=0.100s(错流);u=0.91m/s,q=32.89m3/(m2·h),β=163.05,t=0.097s(逆流)。当q<9m3/(m2·h)或t<0.17s时,错流RPBae及kLa大于逆流,其余操作条件下逆流RPBae及k La均大于错流。相同操作条件下对比两种填料结构错流与逆流RPB的传质特性。实验得出:丝网填料传质性能优于散装星形填料,得到散装星形填料RPB最优操作条件:u=1.35m/s,q=32 m3/m2·h,β=104.35(错流);u=1.09m/s,q=32 m3/m2·h,β=104.35(逆流)。与不同文献ae及kLa进行对比,本实验所得两种填料结构错流与逆流RPBae约为文献4倍,kLa约为文献3.44~4.30倍,即本实验错流与逆流RPBae及kLa均大于实验室规模RPB,说明超重力技术应用于设备放大具有正效应。分别对错流与逆流RPB的ae及kLa与液相雷诺数ReL,液相格拉晓夫数Gr L,液相施密特数ScL,液相弗鲁德数FrL,液相韦伯数WeL之间建立无因次关联式:错流:k_La=1.822(a_tD_L/d_p)Re_L~(0.6371)Gr_L~(0.0548)Sc_L~(0.0623);a_e/a_t=2981Re_L~(0.2349)Fr_L~(-0.045)We_L~(0.5023)φ~(-0.5)逆流:k_La=2.718(a_tD_L/d_p)Re_L~(0.8945)Gr_L~(0.0027)Sc_L~(0.2669);a_e/a_t=665.1Re_L~(1.2739)Fr_L~(-0.1587)We_L~(0.1791)φ~(0.67)得到关联式量纲1数取值范围。所得关联式与实验数据相关性较好,可为RPB工业应用提供传质基础数据。本文对比错流与逆流RPB传质性能差异并探究不同填料结构对于RPB传质特性的影响规律,旨在为RPB设计选型及工业应用提供理论与实践依据。
燕为民[2]2000年在《旋转填料床气液传质特性的研究》文中研究表明旋转填料床是一种以离心力来模拟超重力、强化气液传质与反应的新型高效化工设备，在工业上有着广泛的应用前景。 本文选择了用水吸收空气中的二氧化硫这一体系为研究对象，以自制的电导探头埋藏在填料中来采集液体的浓度信号，并建立了计算机实时在线测量流程，首次对旋转填料床填料层中沿径向的液相浓度分布进行了测量。本文研究了气液逆流接触和并流接触时气体流量、液体流量、转子转速以及进口气体中的二氧化硫浓度对旋转填料床填料层内的径向液体浓度分布和径向体积传质系数分布的影响，结果表明：1．气液逆流和并流时旋转填料床填料层内的径向液体浓度分布和体积传质系数分布都呈非线性，且都沿填料层径向由内向外逐渐增大，逆流时液相浓度在填料层内缘附近增加较慢，在靠近外缘时增加迅速，而并流时则不同，液相浓度在靠近填料层外缘处时增加迅速，在内缘附近变化缓慢；2．填料层内的液相浓度随气体流量、转子转速以及进口气体中二氧化硫浓度的增加而增大，随液体流量的增加而减小；3．逆流时除填料层内缘处第一测量点的体积传质系数比第二测量点的体积传质系数大外，填料层内的体积传质系数沿径向由内向外逐渐增大，且在靠近填料层外缘时增大得较内缘附近要快。并流时除填料层内缘处第一测量点的体积传质系数远小于第二测量点外，体积传质系数沿径向由内向外逐渐减小，且在第二测量点的附近减小较快，在靠近填料层外缘时变化趋缓。4．旋转填料床填料层内的体积传质系数随气体流量、液体流量以及转子转速的增大而增大，随进口气体中二氧化硫浓度的增大而略有减小。 本文将不同条件下的沿径向的体积传质系数进行了经验关联，得到了体积传质系数随半径及操作条件的变化关联式：逆流时，K_xa=29G~(0.86)L~(0.20)N~(0.40)r~(1.62)；并流时，K_xa=1.18G~(0.62)L~(-0.08)N~(0.13)r~(-1.47)。同时，本文基于表面更新理论建立了旋转填料床填料层内的传质模型，并将模型计算值与实验值进行了比较，符合较好。
刘玉杰[3]2017年在《旋转填充床内流体流动与传质的三维CFD模拟》文中提出旋转填充床是一种利用高速旋转产生离心力来增加气液间的有效接触的新型传质设备,目前在纳米材料合成、有机物脱挥、油田注水脱氧等方面已得到应用。探索旋转填充床内流体流动与传质特征对于其结构设计及优化有重要的影响,进而使旋转填充床在工业上的应用越来越广泛。因此,本文采用实验与模拟相结合的手段,一方面利用实验手段总结旋转填充床流体流动与传质的规律,另一方面利用CFD模拟软件可获得设备内流动特征与传质性能,揭示过程机制,且更省时省力。本文采用水-氮气体系分别研究了两种类型填料(聚四氟乙烯散堆球填料和丝网填料)旋转填充床的干湿压降特性,并采用氮气解吸水中的氧来考察球颗粒旋转床的传质性能。在此基础上,建立了超重力旋转填充床气液流动与传质过程的三维CFD模型,考察了气量、转速等操作条件的压降、持液量及传质性能的影响规律,主要研究成果如下:1、球填料与丝网填料的压降实验结果表明:两种填料的干床压降随气量、转速的增加而增大;在气液比16-125的条件下测量两种填料的湿床压降,发现气量对湿床压降影响最为显著,但受液量影响较小,湿床压降略高于干床压降;球填料的干床压降大于丝网填料的,而湿床压降丝网填料大于球颗粒填料。2、球填料的传质实验结果表明:在气液比2-14的条件下,水中氧的解吸率最高可达到95%,当气量、液量以及转速增大,解吸率上升;传质系数随各操作条件的增大也在不断升高,且变化范围在0.10-0.40之间,但气量对传质系数的影响较小。3、采用多孔介质模型与建立的真实球颗粒模型对气相流动特性模拟研究发现,在低转速、低气量下,Standard k-ε湍流模型计算的模拟值与实验结果误差在±20%以内,在低转速、高气量或者高转速、高低气量下,Realizable k-ε湍流模型计算的模拟值与实验值的误差在±20%以内;模拟结果为选择合适的湍流模型提供依据,同时证明了模型的正确性,为气液两相流动奠定基础。4、建立了气液两相逆流流动旋转填充床的三维模型,采用欧拉-欧拉模型对气液流动与气液传质进行模拟,湿床压降的模拟结果与实验结果趋势上一致,并且持液量受气量影响不大,随转速的增加持液量不断减少;首次建立了真实填料旋转填充床气液传质的三维模型,模拟结果展示了氧气逐渐从液相解吸到气相的过程,并为进一步的研究提供了思路。
祁贵生, 刘有智, 王焕, 焦纬洲[4]2014年在《不同填料错流旋转填料床气液传质特性研究》文中研究指明为了探索不同填料错流旋转填料床的传质性能,以Na2CO3水溶液吸收空气中硫化氢为实验体系,对装有不锈钢丝网、塑料波纹孔板和θ环填料的错流旋转填料床的气液传质性能进行研究。实验确定的适宜操作条件为:超重力因子7.8,气体流量2 m3/h,液气比20 L/m3,碳酸钠质量浓度12 g/L;在此条件下,3种填料的脱硫率均可达到90%以上。在相同操作条件下,不锈钢丝网填料的脱硫率及气相总体积传质系数大于塑料孔板填料大于θ环填料;错流旋转填料床中,规整填料的气液传质效果优于乱堆填料。文中的研究结果为错流旋转填料床填料的选取及在脱硫方面的应用提供了依据。
吴毅[5]2014年在《错流型旋转填料床结构设计及流场模拟研究》文中提出由于在过程强化过程中,旋转填料床所表现出来的优越性,使它越来越受到研究者们的青睐。并且许多学者已经在其工业应用方面取得大量的研究成果,但对于其理论研究部分还存在欠缺,其内部的流体力学性能还有待进一步的研究。本文引入多孔介质理论,将填料处理为多孔介质,参考实际的旋转填料床结构,设计计算了用来数值计算的实验旋转填料床,并建立了相应的三维物理模型,利用计算流体力学Fluent软件,分别模拟了其内部气相和气液两相流动情况。主要的工作和研究结果如下：(1)根据设计要求提出设计依据,然后确定了旋转填料床转子的主要结构参数,并利用其传质特性确定转子外径,从而完成转子的设计计算。根据现有的MDEA脱硫工艺,通过Aspen Plus软件对旋转填料床进行等效的模拟,得到满足设计要求条件下的各个相关的流程参数,从而确定传质系数,并通过设定外径初值采用Microsoft Excel求解器进行反复计算,得到合理的设计结果。(2)通过引入多孔介质理论来简化填料层的具体结构,采用设计计算的实验开放式错流型旋转填料床的结构数据,建立了其相应的三维物理模型,并进行了合适的网格划分。根据建立的气相单相流基本方程,选用适宜的边界条件,采用Fluent软件中的"realizable"k-e模型、多孔介质模型模拟了开放式错流型旋转填料床中气相单相流流场情况。所得流场分布比较合理,能较为真实的反映旋转填料床内部的分布情况。(3)选用Fluent软件自带的多孔介质模型和欧拉多相流模型,对开放式错流型旋转填料床内的气液两相流流场进行了模拟分析,研究了其内部气液两相流流动的气相相含率分布规律、压力场和速度场分布规律,仿真结果可以较好地展现出错流型旋转填料床中气液两相流的宏观流动情况,模拟结果与设备实际运行过程的特点大体吻合,说明采用Fluent软件模拟旋转填料床内部气液两相流流场是行得通的。
栗继宏[6]2008年在《逆流式旋转填料床结构优化设计研究》文中研究说明旋转填料床作为一种新型高效气液传质设备,由于其传质效率高、体积小、持液量少、停留时间短、微观混合均匀等优点,被广泛应用于吸收、精馏、萃取、脱硫除尘、制备纳米粉体等。本文根据文献资料,综述了有关旋转填料床理论及应用研究现状。在金属材质的旋转填料床工业化应用过程中,处理量增加与分离要求的提高,势必要求设备体积增大,致使核心部件转子存在强度与重量的矛盾。增加强度唯一的措施是将转子周边加厚、加粗,而这一变化又导致转子本身重量的增加,设备强度降低与旋转轴所需功率加大。如何实现转子在满足强度下的轻型化是超重力设备降低成本、实现长期稳定运行的关键,也是促进超重力技术能否大规模工业化应用的主要问题。论文通过理论分析,对逆流式旋转填料床的结构进行了优化设计。通过在旋转填料床外壳上增阻液条和导液槽,缩短了液体在旋转填料床内的停留时间,减少了液体的滞留量;采用有机玻璃加工旋转填料床外壳,并将外壳进行一体化设计,可使设备加工、安装和拆卸方便,并能在实验过程中直观地观察到旋转填料床内流体的流动情况;采用尼龙1010来加工转子,减轻了转子的重量,简化了结构,减小了旋转轴的扭矩,使转子在运转中更具有平稳性。通过用塑料加工成的大部分部件来代替原来的钢质部件,使设备的重量减轻了3/4,在成本上和运转费用上也降低3/5。通过实验,对优化的旋转填料床的流体力学性能和传质性能进行了检验。研究表明,优化设计后的旋转填料床动平衡性好、运转性能稳定,传质与水力学性能未受到明显影响。本研究成果从设备造价与运行费用两方面体现了一定的优势,拓宽了超重力技术的工业化应用空间。
陈秋韵[7]2017年在《聚四氟乙烯填料旋转填充床传质及微观混合性能研究》文中研究指明旋转填充床是超重力过程强化技术的核心装备,可强化气-液、液-液、气-液-固等多相体系的传质和混合过程。填料作为旋转填充床的核心构件,对相间传质有重要影响。但是在腐蚀性环境中传统填料容易遭到破坏从而影响旋转填充床的正常运行。本论文针对装填有优良抗腐蚀性能的聚四氟乙烯(PTFE)填料的旋转填充床,采用氢氧化钠溶液-二氧化碳气体化学吸收体系及水脱氧物理解吸体系,研究了旋转床转速、液量、气量对有效传质比表面积(ae)和液相体积传质系数(kLae)的影响规律,并得到ae和kLae的经验关联式。采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系研究了旋转床转速、液量以及粘度对微观混合性能的影响规律,进一步利用团聚模型计算了不同填料旋转填充床的微观混合特征时间。并采用优选的PTFE填料旋转填充床,验证了其在氢氧化镁纳米颗粒方面应用的可行性。研究结果表明:(1)PTFE填料旋转填充床的ae和kLae随着旋转填充床转速、液体流量的增加而显著增大,随气体流量影响不大。丝径、孔径越小的PTFE填料传质性能越好,同等规格的不锈钢丝网填料传质性能优于PTFE丝网填料。(2)根据实验结果分别拟合了 ae和kLae的经验关联式,ae和kLae的计算值和实验值偏差在±20%以内。(3)PTFE填料旋转填充床的微观混合性能随转速和液量增大而显著增强,液体粘度越大微观混合性能越差。丝径、孔径越小的PTFE填料的旋转填充床微观混合性能越好,PTFE丝网填料的微观混合性能优于不锈钢丝网填料。在微观混合实验数据的基础上利用团聚模型计算旋转填充床微观混合特征时间(tm),PTFE填料最小微观混合时间仅2.762×10-5秒,微观混合性能优良。(4)基于液相沉淀法制备氢氧化镁过程具有强腐蚀、快反应的特点,采用优选的单股编织PTFE填料旋转填充床制备了规则六方片状的Mg(OH)2纳米颗粒,其粒径范围为38-74 nm,具有纯度高、粒径小、分布均匀的优点,表明PTFE丝网填料旋转填充床应用于Mg(OH)2纳米颗粒制备具有可行性。
刘良[8]2013年在《旋转填充床气液传质数值模拟研究》文中研究表明超重力旋转填充床是一种用于强化多相混合与传质的新型设备,广泛应用于非均相物系的传质与分离、纳米材料的制备等过程。其中关于超重力旋转填充床强化气液传质的文献迄今为止多见于实验研究和应用性研究,在模型化研究和数值模拟方面的研究不多。本文基于旋转填充床气液传质的简化的物理过程建立了质量传递的数学模型,根据计算的液相传质分系数kL讨论了旋转床中非稳态传质与稳态传质的区别,并给出了非稳态/稳态传质过程的数值判据。在传质模型的基础上采用数值模拟的方法研究了在氮气解吸水中溶解氧、氢氧化钠化学吸收混合气中二氧化碳的传质过程中的模型参数对kL以及各操作参数对旋转填充床总传质的影响规律。主要结论如下：液滴在填料层间的停留时间越短,kL越大；因此超重力水平越高,氧解吸体系(以下简称体系一)和NaOH-CO2化学吸收体系(以下简称体系二)的总体积传质系数都增大；温度升高,两体系的kL都增大,因此总体积传质系数也都增大；压力升高,两体系的kL无影响,总体积传质系数也都基本不变。增加气相流率,两体系的总体积传质系数都有很小幅度的变化然后趋于稳定,可认为基本不变；增加液相流率,两体系的总体积传质系数皆显著增加；对于体系一,提高液相进口浓度,总体积传质系数增加；而对于体系二,提高气相进口浓度,总体积传质系数有小幅度的减小；空腔区传质随空腔区体积的增加而增大,其对总传质的贡献率随超重力水平的提高而减小；利用文献中实验数据对传质模型进行了验证,最大误差均在±20%内,表明该传质模型能一定程度上用于旋转填充床内不同传质体系的模拟,可为深入认识旋转填充床气液传质规律以及对超重力技术强化气液传质的工业应用提供一定的理论基础。
易飞[9]2008年在《超重力技术脱除二氧化碳的实验和模拟研究》文中认为超重力旋转床作为新型高效的多相流接触装置,可以极大地强化传质过程,已被广泛应用于化工分离和制备纳米材料等领域。而从文献中的报道情况来看,对旋转床建模和模拟的研究不是很多。为了深入认识旋转床内气液传质过程,本文进行了本菲尔溶液在旋转床内脱除二氧化碳的实验和模拟研究,为旋转床得到更广泛的应用提供了一定的理论基础。本文首先在低压下(气体总压为0.4MPa)用本菲尔溶液在旋转床内进行了脱除二氧化碳的实验研究。实验结果表明:在实验范围内,二氧化碳的脱除率随着液体流量的增长、转速的增加、温度的升高和吸收液浓度的提高而提高。随后在高压下(气体总压为1.2MPa)进行了旋转床内的脱除二氧化碳的实验研究。实验发现,高压实验下旋转床内二氧化碳的脱除率明显高于低压实验下的,并且其脱除率随转速变化的规律和低压时一致。本论文推导了一描述旋转床内气液传质的模型。本模型适用于采用本菲尔溶液在旋转床内较高的超重力水平下脱除二氧化碳的过程。模拟计算的出口气体中二氧化碳的浓度在各操作条件下(液体流量、进气量、转速、温度)和实验值较吻合。同时,模型计算出总传质系数沿填料径向的变化曲线,提高该曲线能较好得解释旋转床内的端效应。利用本论文推导的模型对旋转床内脱除烟气中的二氧化碳进行了模拟。分别针对如下情况:小液体流量、大液体流量、增加填料内外径、增加填料外径、减小填料外径、包含双端效应区的填料层。通过比较各情况下的二氧化碳的脱除率,为旋转床的设计和操作提供了一定的参考。
焦纬洲[10]2006年在《错流旋转床填料结构与特性研究》文中研究说明本文综述了旋转床的理论研究及应用现状。通过文献报道来看,有关填料结构研究较少,使用的多为丝网或散装颗粒填料等。对于丝网或散装颗粒填料,在安装时很难达到良好的均匀性和对称性,特别是高速旋转的转子在不同径向位置所受的离心力不同,会导致填料结构分布在径向方向上产生内疏外密的分布,从而会降低传质效率。当填料在转子中的均匀性和对称性打破时,就会导致旋转床的震动和摆动,这种震动和摆动会更加恶化填料在转子中的对称性,从而导致设备寿命的缩短和传质效率的降低。根据超重力场下错流旋转床的气液传质特性和对填料结构动平衡性的要求,提出了旋转床规整填料的设计思想,研制了新型规整填料-不锈钢多孔波纹板填料和塑料多孔板规整填料,使其弥补散装填料的不足。在此基础上,对六种不同规整填料结构旋转床进行了流体力学、传质性能和综合性能的研究。试验以CO_2-NaOH为工作介质,研究了填料特性、超重力因子、气体流量和液体流量等对不同填料结构旋转床压降特性和传质特性的影响。结果表明,离心压降、干床压降、湿床压降、比相界面积和体积传质系数与填料的材质、板间距、空隙率等密切相关,试验得出了适宜的填料结构;气相压降特性随超重力因子、气体流量的增加而增大,与液体流量几乎无关;不同规整填料结构旋转床比相界面积和体积传质系数随超重力因子、气液流量的增加而增大,其中液体流量的影响最大。应用MATLAB语言编制应用程序对试验数据的回归分析得出了干湿床压降、比相界面积和体积传质系数的关联式,平均误差小于10%,关联式拟合较好。六种不同填料结构的综合性能表明,填料2不锈钢多孔波纹板填料和填料4塑料孔板填料为较优的填料结构。在相近的操作条件下与文献报道进行了对比,本规整填料结构旋转床气相压降试验值在240Pa以内,在相近的操作条件下,与文献报道丝网错流旋转床的相近,为逆流床的1/10,大幅降低了能耗;比相界面积和体积传质系数比丝网错流旋转床的高,与逆流旋转床的相当,比传统塔设备高1～2数量级。
参考文献：
[1]. 错流与逆流旋转填料床传质性能对比研究[D]. 董梅英. 中北大学. 2016
[2]. 旋转填料床气液传质特性的研究[D]. 燕为民. 北京化工大学. 2000
[3]. 旋转填充床内流体流动与传质的三维CFD模拟[D]. 刘玉杰. 北京化工大学. 2017
[4]. 不同填料错流旋转填料床气液传质特性研究[J]. 祁贵生, 刘有智, 王焕, 焦纬洲. 化学工程. 2014
[5]. 错流型旋转填料床结构设计及流场模拟研究[D]. 吴毅. 西南石油大学. 2014
[6]. 逆流式旋转填料床结构优化设计研究[D]. 栗继宏. 中北大学. 2008
[7]. 聚四氟乙烯填料旋转填充床传质及微观混合性能研究[D]. 陈秋韵. 北京化工大学. 2017
[8]. 旋转填充床气液传质数值模拟研究[D]. 刘良. 北京化工大学. 2013
[9]. 超重力技术脱除二氧化碳的实验和模拟研究[D]. 易飞. 北京化工大学. 2008
[10]. 错流旋转床填料结构与特性研究[D]. 焦纬洲. 中北大学. 2006