高压下规整填料塔的计算传递和传质性能

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1、——"Yllllll⋯,l,15IIL3I'12I!IINlJ8=Ho⑧天洋大謦中国近代第一所大学博士学位论文__■啊●-●一■；●爿鼍}■■■■I¨0___一级学科：化举工程与技术学科专业：化学工程作者姓名：陈江波指导教师：余国琮教授天津大学研究生院2006年1月高压下规整填料塔的计算传递和传质性能NumericalandExperimentalStudyofTransferPhenomenainaStructuredPackedColumnatHighPressure(国家自然科学基金资助项目，20136010)学科专业：化学工程研究生：陈江波指导教师

2、：余国琮教授天津大学化工学院二零零六年一月天津大学博士学位论文摘要为加强对高压下规整填料塔的传质机理的研究，在内径为150mm的填料塔内，分别测试了O．70、1．10、1．30、1．50、1．70和1．90MPa(绝压)六个操作压力下Mellapak350Y型金属板波纹规整填料的传质性能，实验为全回流，测试物系为正丁烷／异丁烷混合物，液相的负荷范围为10．45-67．14m3／(In2-h)。实验测得填料的等板高度的数值在0．15-4)．61m之间。分析实验数据发现：在0．70～1．70MPa的操作压力范围内，当压力一定时，随着F，因子的增加，填料的效率增

3、大；而在1．90MPa时，填料的效率在液泛前的一段操作范围内发生恶化。建立了三维CFD模型，对规整填料内液相单相流流场进行了模拟。为了验证模拟计算的结果，利用三维LDV技术对规整填料内液相单相流流场进行了测量。实验结果表明，本文提出的模型能够较好地模拟流体的流动趋势。这说明CF'D模型能够较好的模拟规整填料内的单相流动行为。在此基础上，对加压下内径为150mm的填料塔内气相单相流的返混行为进行了模拟，操作压力范围为0．30～1．80MPa，并将其结果与实验值进行了对比。计算结果表明，模型预测的气相返混系数与实验测量值的趋势一致，但在数值上偏小。在上述研究的

4、基础上，采用VOF法初步建立了加压下规整填料塔内气、液两相逆流流动模型，模拟物系和条件均与高压精馏实验一致。模型中考虑了影响液膜流动的两个重要作用力：表面张力和气、液相间作用力。根据模型计算了不同操作压力以及不同气相F，因子下填料内气、液相的流动过程，并根据结果讨论了操作压力和气相F，因子对液相流动的影响，同时还根据计算结果估算了填料内的持液量和有效润湿比表面积。在流体力学模型的基础上，对加压下规整填料内气、液相间的传质过程进行了模拟，模型中采用c2一s，模型取代常用的施密特类似律法来计算湍流扩散系数。根据计算得到的浓度分布计算了规整填料的传质效率，并与实

5、验数据进行了对比。对比结果表明本文建立的模型计算得到的HETP值与实验值吻合较好，其平均相对误差为25％。关键词：计算流体力学(CFD)；规整填料；高压精馏；激光多普勒(LDV)；两相流；计算传递；传质天津大学博士学位论文ABSTRACTT0betterunderstandthemass-transferbehaviorsinthestructuredpackedcolumnsathi曲pressure，theperformanceofstructuredpackingMellapak350YWaSundertakeninadistillationcolu

6、mnwithan8．0mheightand150mminnerdiameterathi曲一pressureandundertotalreflux．Then—butaneandiso—butanewereusedaSthetestsystem．Theoperatingpressurerangewas0．70—1．9MPa．Theliquidflowrateswerevariedfrom10．45to67．I4m3／(m2‘h)．Theresultsshowedthattheseparationefficiencyofthepackingincreased、析

7、mtheincreaseoftheoperatingpressure．Below1．70MPa,thevaluesofHETPdecreasedwiththeincreaseofgasF-factoratconstantoperatingpressure．At1．90MPa,however,theefficiencydeterioratedbeforefloodingpoint．Asingle··phasethree··dimensionalCFDmodelisbuilttonumericallycalculatetheliquidvelocitydist

8、ributioninthestructuredpacking．To