大型立体传质塔板板上液相流场的实验研究与数值模拟

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文大型立体传质塔板板上液相流场的实验研究与数值模拟论文作者：牛小威学生类别：全日制学科门类：学术硕士学科专业：化学工程指导教师：王洪海职称：教授资助基金项目：河北省重点研发计划NO.16214505D；河北省重点基础研究项目NO.15964505DDissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalEngineeringEXPERIMENTALINVESTIGA

2、TIONANDNUMERICALSIMULATIONOFLIQUIDPHASEFLOWFIELDONTHELARGECOMBINEDTRAPEZOIDSPRAYTRAYbyNiuXiaoweiSupervisor:Prof.WangHonghaiMay2017ThisworkwassupportedbythekeyresearchanddevelopmentprogramofHebeiProvince(GrantNO.16214505D)andthekeybasicresearchitemsinapplicati

3、onbasicresearchprogramofHebeiProvince.(GrantNO.15964505D)摘要立体传质塔板（Combinedtrapezoidspraytray，简称CTST）是一种具有特殊梯形立体结构的喷射型塔板，具有处理能力大、塔板压降低、传质效率高、操作弹性大、抗堵能力强、消泡能力强等优秀性能。随着化工行业对于节能和环保越来越高的要求以及企业效益最大化的要求，装置大型化已经成为一个发展趋势。对于板式塔而言，塔器装置大型化后对塔板的研究、设计、制造以及安装都提出了新的要求。CTST应用

4、十分广泛，但目前对于CTST的实验研究和数值模拟多集中于小型和中型塔板上，而对于大型CTST的理论和实验研究尚不完善。塔板上的液相流场是影响塔板效率的关键因素之一，本文针对于此，对大型立体传质塔板的板上液相流场进行了实验研究和数值模拟。本文在直径为2600mm的半圆形塔内采用空气-水系统对大型双溢流立体传质塔板的扩张流进行了实验研究。利用旋桨式流速仪对塔板上液层的时均流场进行了测量，利用静压管和测振仪分别测量了塔板上的清液层高度和塔板的振动情况，对塔板上部分区域清液层表面的回流情况进行了计算。结果表明：大型CTS

5、T上的液相流场整体流动较为整齐，在部分区域的清液层表面存在回流；帽罩之间的液相流速明显高于其他区域，在帽罩底隙附近存在明显的侧向流动；板上液层分布不均匀，整体上由中心向两边及由入口向出口液层高度均逐渐降低；塔板振动速度随着气速的增大会出现两个极值，在两个极值之后振动速度逐渐降低。本文在Multi-FluidVOF两相流模型和Realizablek-ε湍流模型的基础上，通过添加表面张力和曳力动量源项建立了大型CTST的数学模型。在对几何模型进行非结构网格划分的基础上，采用PhaseCoupledSIMPLE压力速度

6、耦合方法对模型进行了数值计算。通过实验结果和模拟结果的对比验证了CFD模型良好的准确性。模拟结果很好地显示了大型CTST上液相流场的细节，结果表明：在第一排CTST帽罩之后的区域存在多个小范围的回流区；在弓形区存在明显的绕流现象，液层流动出现明显偏转。在对实验结果和模拟结果分析的基础上，根据实验数据对罩内循环次数进行了计算，结果表明，水流在穿过整个塔板的过程中，矩形区域水流在帽罩内的循环次数约为2.03，弓形区约为0.69；给出了塔板板孔设计的优化建议。关键词：大型立体传质塔板板上液相流场塔板振动液层高度罩内循环

7、次数IABSTRACTTheCombinedTrapezoidSprayTray(CTST)isanovelspraytraywithuniquetrapezoidspatialstructure.Withgas-liquidco-currentcontact,theCTSThasalotofadvantages,suchashighcapacity,efficiencyandoperationflexibility,lowpressuredrop,excellentanti-blockageperformanc

8、e,andfoamingresistance.Withtheincreasingdemandforenergysavingandenvironmentalprotectioninchemicalindustry,andthemaximizationofenterprisebenefit,thelargescaleofequipmenthasbecomeatrend.For