探析规整填料表面点传质的可视化研究

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1、天津大学硕士学位论文规整填料表面点传质的可视化研究姓名：杨定政申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：朱慧铭20070101摘要近十几年来，精馏的发展虽然已经比较成熟，但是仍然存在许多问题。例如计算全塔效率和流体力学性能的经验和半经验公式在精馏计算中占有主导地位，然而这些公式却存在15％一20％左右的误差，并且这些误差是由于采用宏观尺度上平均传质的研究方法，对精馏操作中最重要的传质单元——规整填料研究而产生的。为了改变现状，本文尝试采用一种新的方法，即研究规整填料在微观尺度上的点传质。本文采用显色化学反应的流体可视化方法研究规整填料表面上的点传质效果，并且首次

2、用高精度彩色扫描仪进行后处理，把颜色值转化为数字值。实验使用200dpi的分辨率对实验结果进行扫描，每个象素点的大小只有0．016xO．016IIlIIl2，因此填料表面单元网格的大小也是O．016xO．016mm2。然后通过风洞的标定特性来建立数字值和点传质量之间的关系，进而得到填料表面的点传质系数。通过填料表面点传质系数的三维分布图，可以首次清晰地看到在每两片填料交叉形成的任一传质单元当中，存在三个传质高峰，代表基元中传质效果较好的部分。同时传质较差的地方也为填料的进一步改进提供了依据。在雷诺数从200到3000时，对规整填料点传质效果进行了研究。研究结果表

3、明随着雷诺数的增大，湍动越来越充分，传质逐渐变得均匀，而且整体传质效果增强。由于填料几何形状对传质有决定性的影响，所以为了提高填料传质效率，我们对填料表面结构进行了初步的改进。打孔填料的点传质试验表明，孔周围3-4个毫米内的点传质效果得到明显增强，达到50％。然后本文用计算流体力学来模拟规整填料表面点传质的过程。表面化学反应模型为传质扩散方程的源项提供了可行的依据，CFD模拟证实了三个传质高峰的存在。对浓度场和流场的分析更进一步解释了三个传质高峰出现的原因。在任一传质单元内，将计算结果与试验结果进行对比，发现波谷凹槽和背风面中部误差较大约为30％，其他位置效果很

4、好，误差在20％以内。关键词：点传质流体可视化规整填料精馏计算流体力学ABSTRACTInrecentyears，studyonthestructuredpackingdevelopedslowly,becauseitwasdifficulttoinvestigatelocalmasstransferonthesurfaceofthestructuredpackingwithoutdisturbingtheflowfield．Therefore，Emperical／Semi-empericalmodelsarestilldominantindetermining

5、hydrodynamicandmasstransferparametersalthoughthereexistgrrorsaround15％-20％comparedwiththerealsituation．Inordertoimprovethissituation，localmasstransferonthesurfaceofstructuredpackingisemployedtotaketheplaceoftraditionalaveragemasstransfer．Achromochemicalreactivemasstransfertechniqueha

6、sbeenemployedtocalculatevaluesoflocalmasstransfercoefficientswithinstructuredpackings．Thetrue．colorimageprocessingmethodwiththetoolofhigh—resolutionscannerisfirstlyusedtodealwithtestsamples．AndtheunitmeshonthesurfaceofstructuredpackingcanbeaSsmallas0．016×0．016squaremillimeters．Bythea

7、idofwindtunnel，thecalibrationcurvewhichrepresentstherelationbetweenlocalmasstransferrateandthecolorintensityismade．Then，three-dimensionalmapoflocalmasstransfercoefficientsisplotteddependingonthecalibrationcurve．Thethree-dimensionalmapclearlyshowstheexistenceofthreepeaksondifferentpos

8、itionsinauni