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细通道内气液传质实验与模拟研究

作　者: 李林
导　师: 张旭斌
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 整体式多通道气液传质传质系数 CFD 模拟
分类号: TQ021.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 52次
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内容摘要

多相催化过程在化学工业中占有重要地位,传统固定床和浆态床等多相反应器在化工生产中应用广泛,但面临着不容忽视的问题与挑战。新型的整体式反应器具有床层压降低、传质效率高、容易放大和生产强度大等优点,成为替代传统多相反应器的一个有吸引力的选择。尽管具有上述优势,整体式反应器在化工生产中应用还是较少,一个很重要的原因是基础工作很缺乏,特别是流体流动和传质规律的两大核心问题的研究还很不完善和系统,论文对细通道内的流动和传质进行了研究。本文实验研究了整体式多通道内水-CO₂体系的气液传质,测定了液侧体积传质系数。实验结果表明随着表观气速和表观液速的增加,液侧体积传质系数和压力降都变大。采用计算流体力学的方法研究圆形管道内Taylor气泡到液相的传质,使用周期性边界条件和二维轴对称模型,假设Taylor气泡具有理想形状、管内为层流流动,模拟计算液侧体积传质系数,将气液传质分为液膜传质和球体传质两个部分。模拟研究了不同气泡上升速度、弹单元长度、液膜长度、液膜厚度、液相扩散系数和管径对液侧体积传质系数kLa的影响。重点模拟了直径1.068mm的圆形管道,研究了气泡上升速度、弹单元长度、液膜长度和液膜厚度对液膜传质分系数kL,film和（kL,filmafilm）/kLa影响。以Taylor气泡走过一个完整弹单元长需要的时间t为基准,计算最初时间t内的平均液侧体积传质系数,定义为（kLa）0,拟合得到（kLa）0的计算公式,发现（kLa）0与气泡上升速度的0.5次方成正比,与弹单元长度成反比,与液膜长度成正比,与液膜的厚度的0.15次方成反比,与液相扩散系数的0.5次方成正比。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章文献综述  8-20
  1.1 微化工及其分类  8-10
    1.1.1 微换热  8-9
    1.1.2 微混合  9
    1.1.3 微反应  9-10
  1.2 整体式反应器  10-11
    1.2.1 整体式多通道简介  10-11
    1.2.2 整体式反应器的特点  11
  1.3 气液两相流  11-14
    1.3.1 气液两相流研究现状  12
    1.3.2 气液两相流流型  12-14
      1.3.2.1 水平管中气液两相流流型  13-14
      1.3.2.2 垂直上升管中气液两相流流型  14
  1.4 气液传质研究  14-17
    1.4.1 经典传质理论  15-16
      1.4.1.1 双膜理论  15
      1.4.1.2 渗透理论  15-16
      1.4.1.3 表面更新理论  16
    1.4.2 微反应器气液传质研究  16-17
  1.5 计算流体力学  17-19
    1.5.1 计算流体力学概述  17-18
    1.5.2 计算流体力学软件介绍  18
    1.5.3 计算流体力学(CFD)在Taylor流中的应用  18-19
  1.6 本论文的主要工作内容  19-20
第二章整体式多通道内水-C0_2体系气液传质实验  20-30
  2.1 基本理论  20-21
  2.2 水-C0_2 体系吸收实验  21-30
    2.2.1 实验仪器  21-22
    2.2.2 实验流程图  22-23
    2.2.3 数据处理及结果分析  23-30
      2.2.3.1 表观液速对液侧体积传质系数的影响  24-26
      2.2.3.2 表观气速对液侧体积传质系数的影响  26-28
      2.2.3.3 气液速对压降的影响  28-30
第三章细通道内气液传质模拟  30-47
  3.1 网格生成  30-34
    3.1.1 网格的种类  31-32
    3.1.2 选择适当的网格类型  32-33
    3.1.3 网格的质量  33-34
  3.2 控制方程  34-36
    3.2.1 质量守恒方程  34
    3.2.2 动量守恒方程  34-35
    3.2.3 守恒型控制方程与非守恒型控制方程  35-36
  3.3 求解法  36-38
    3.3.1 分离解法  36-37
    3.3.2 耦合解法  37-38
  3.4 离散化  38-42
    3.4.1 数值模拟常见的离散方法  38-39
    3.4.2 有限体积法的基本思想  39-40
    3.4.3 离散方程的线性化  40-41
    3.4.4 时间离散  41-42
  3.5 压力速度耦合方式  42-43
  3.6 初始条件和边界条件  43-44
  3.7 监视解的收敛性  44
  3.8 本章小结  44-47
第四章模拟结果与分析  47-76
  4.1 速度场分析  47-56
    4.1.1 基本方法  48-49
    4.1.2 液相主体速度分布  49-51
    4.1.3 液膜主体速度分布  51-56
  4.2 液膜传质分析  56-64
    4.2.1 基本方法  56-58
    4.2.2 液膜传质分系数分析  58-61
    4.2.3 液膜体积传质分系数分析  61-64
  4.3 (k_La)_O 模拟结果分析  64-76
    4.3.1 基本方法  64
    4.3.2 气泡上升速度对(k_La)_O 的影响  64-67
    4.3.3 弹单元长度对(k_La)_O 的影响  67-70
    4.3.4 液膜长度对(k_La)_O 的影响  70-72
    4.3.5 液膜厚度对(k_La)_O 的影响  72-73
    4.3.6 扩散系数对(k_La)_O 的影响  73
    4.3.7 (k_La)_O 计算公式  73-76
第五章结论和展望  76-78
  5.1 结论  76
  5.2 展望  76-78
参考文献  78-81
符号说明  81-82
发表论文和科研情况说明  82-83
致谢  83

细通道内气液传质实验与模拟研究

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