探究加压下规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模拟

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1、天津大学博士学位论文加压下规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模拟姓名：张鹏申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：余国琮2002.1.1天津大学博士学位论文摘要摘要本文首先在内径为150mm的精馏塔内对Mellapak250Y型波纹板规整填料在加压下的传质性能进行了测试。件验的操作压力为0.，一，.OMPa，实验物系为正丁烷/正戊烷，实验是在全回流条件下进行的。研究表明，气相总传质单元高度(HTUoc)可分为两部分，一部分为不考虑返混影响的净气相总传质单元高度(HTU*oc)，另一部分为由于流体的

2、返混而引起的返混单元高度(HBU)。根据填料塔不同轴向位置处液相样中正丁烷的浓度可确定HTUoc和HBU的值，并给出了求算HBU的经验关联式。结果表明在高压下填料的传质效率随压力的升高而下降，气相总传质单元高度从‘.017MPa时的0.3810m增大到‘.924MPa时的0.5454m,厂将上述的精馏塔改填为Mellapak350Y型规整填料来测量气、液单相和气液两相流条件下气、液相的轴向返混系数。位验的操作压力仍为。.3-2.0MPa，气液两相在填料塔内逆流流动，气相为氮气，液相为水，它们的流量分别为2.0-5.O

3、m'h"，和0.3-1.2m、一，(实验条件下)。流体的返混特性用示踪响应技术进行测量，气相示踪剂为氢气，液相示踪剂为饱和的抓化钠水溶液，分别用热导法和电导法来检测。通过获得的流体停留时间分布曲线，采有时间域最小二乘法用一维轴向扩散模型对其拟合，可确定不同实验条件下流体的轴向返混系数和有效流速。结果表明，气相轴向返混系数随有效气速、液相喷淋密度和压力的增大而增大，但液相喷淋密度和压力的影响要远小于气速的影响:液相轴向返混系数随有效液速和气相动能因子的增大而增大，压力对其没有影响。最后给出了不同条件一F计算轴向返混系数

4、的关联式厂通过引入表征体元的概念，采用体积平均的方法建立了规整填料塔内气、液单相流和气液两相流的基本输运方程，与传统的输运方程相比，方程中增加了空隙率、相间相互作用力和动力弥散系数三项。根据所建的模型，用商业流体力学软件(PHOENICS3.3)对规整填料塔内流体的流动行为进行了模拟，分别给出了压力场、速度场和示踪剂浓度场的模拟结果。根据模拟的示踪剂浓度分布，对气、液相单相流的轴向返混系数进行了估算，所得结果与实验值的平均偏差为229,关健诃:计算流体力学:精馏:气液两相流:返混单元高度:气相总传质单元高度质量传递;

5、规整填料天津大学博士学位论文人BSTRACTABSTRACTTheperformanceofMellapak250Ycorrugatedstructuredpackingindistillationapplicationsatpressuresrangingfrom0.3to2.OMPahadbeenanalysedbyusingHTU-NTUmethod.Thesedatawereobtainedina150mmdiameterdistillationcolumnoperatedwithn-butane/n-pen

6、tanesystemattotalreflux.Inconsideringtheaxialbackmixingeffects,theheightofanoverallgasphasetransferunit,HTUoG,wasdividedintotwoparts.Onepartrepresentedtheheightofanoverallgasphasetransferunit,ifnobackmixingoccurs,designatedasHTU*GG,andtheotherpart,designatedast

7、heheightofabackmixingunit(HBU),representedthebackmixingeffects.TheHTUoGwasevaluatedfromthemeasuredconcentrationprofileofn-butaneinliquidphase.TheHBUobtainedexperimentallywascorrelatedintermsofthepropertiesoftheseparatingmaterialsandtheequivalentdiameterofthestr

8、ucturedpacking.OurresultshowedthatHTUoGvariedfrom0.3810to0.5454mwithpressureincreasingfrom1.017to1.924MPa.Itindicatedtheoverallefficiencyofthestructuredpackingdecreasedgradu