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基于OpenFOAM的精馏塔内气液两相流传热传质模拟

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过程工程学报 2023年

作者：焦云鹏周晓庆陈建华沈阳化工大学化学工程学院中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室中国科学院大学化学工程学院

对于精馏塔内的多相传质过程，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)不仅可用于模拟流动现象，而且可以用于研究传热传质过程及其与流动的相互作用规律。基于之前精馏塔板气液流动模拟的研究工作，本研究应用OpenFOAM平台... 详细信息

对于精馏塔内的多相传质过程，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)不仅可用于模拟流动现象，而且可以用于研究传热传质过程及其与流动的相互作用规律。基于之前精馏塔板气液流动模拟的研究工作，本研究应用OpenFOAM平台的多相流求解器，考虑了能量方程与组分输运方程，构建了精馏体系的传热传质模型，分别对环己烷-正庚烷理想体系与乙醇-水非理想体系进行了模拟，并分析了塔板上气液两相流动、组分浓度及温度等参数的分布规律。对于理想体系，理想溶液传质模型能够较准确地预测多层塔板上的温度及浓度场；对于非理想体系，需要在理想溶液传质模型的基础上引入活度系数模型，为此对比了UNIQUAC与NRTL两种活度系数模型的效果。在当前模拟框架下，活度系数模型的引入有助于提升非理想体系温度场与浓度场的模拟精度，两种活度系数模型预测的整体趋势与文献中结果基本一致，但在数值上UNIQUAC模型与文献吻合更好。此外，气液两相流场与浓度场分布的对比分析表明，液相的循环流动能够提升塔板的局部传质效率，导致液相入口与塔板堰处的效率高于塔板中心，但是由于循环区域内气液两相无法及时更新，将导致塔板整体传质效率下降。以上研究有望用于精馏塔板的设计与优化，为提高精馏塔传质效率、降低精馏能耗提供指导，对于其他气液两相流的CFD传热传质模拟也具有参考价值。

关键词：气液两相流精馏热态模拟传热与传质 OpenFOAM

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分形介质的传热与传质分析(综述)

工程热物理学报 2003年第3期24卷 481-483页

作者：郁伯铭华中科技大学物理系和塑性成形模拟及模具技术国家重点实验窀湖北武汉430074

本文论述了分形介质的分形理论和数学基础,并简要综述了用分形理论和方法研究分形介质的传热与传质特性(如多孔介质的渗透率、热导率以及池核态沸腾换热)方面目前所取得的研究进展,最后扼要展望了用分形理论和方法进一步研究分形介质的... 详细信息

本文论述了分形介质的分形理论和数学基础,并简要综述了用分形理论和方法研究分形介质的传热与传质特性(如多孔介质的渗透率、热导率以及池核态沸腾换热)方面目前所取得的研究进展,最后扼要展望了用分形理论和方法进一步研究分形介质的传热与传质的可能的若干课题和方向。

关键词：分形分形介质传热与传质

深水多梯度钻井空心球分离规律及其对井筒传热与传质的影响

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钻采工艺 2021年第5期44卷 16-21页

作者：张锐尧李军柳贡慧王鹏中国石油大学(北京) 北京工业大学中海石油(中国)有限公司深圳分公司

深水注空心球多梯度钻井中井筒温度的准确预测对井筒压力控制有至关重要的作用。文章利用新的分离技术与室内实验相结合研究了空心球在不同影响因素下的分离规律。基于能量守恒方程、连续性方程以及动量方程并考虑分离效率对于空心球传... 详细信息

深水注空心球多梯度钻井中井筒温度的准确预测对井筒压力控制有至关重要的作用。文章利用新的分离技术与室内实验相结合研究了空心球在不同影响因素下的分离规律。基于能量守恒方程、连续性方程以及动量方程并考虑分离效率对于空心球传质与传热过程的影响,建立了瞬态传热与传质条件下的温度与压力相耦合的井筒温度计算模型。并将现场测量数据与理论模型的计算结果进行对比,验证了文章所建模型的准确性。最后对影响环空温度以及热物性参数的重要因素如分离效率、空心球注入速率、分离器位置等进行了敏感性分析。研究表明,通过调节泵排量与空心球直径以及分离器位置,可以实现环空压力梯度的准确控制,很好地改善深水钻井中窄压力窗口引起的溢漏问题。

关键词：多梯度钻井室内实验分离效率注入速率分离器位置传热与传质

碳纳米管基固化复合吸附剂传热与传质性能的研究

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碳纳米管基固化复合吸附剂传热与传质性能的研究

作者：邵思滔华中科技大学

学位级别：硕士

能源与人类发展进步息息相关,能源的收集和利用一直是社会发展的一大主题,如何高效地利用能源日益受到人们的关注。吸附式制冷因在制冷功率上难以和传统压缩式制冷相比较,但其以低品位热能的驱动方式且最终产物仅为水,展现出环保和节能... 详细信息

能源与人类发展进步息息相关,能源的收集和利用一直是社会发展的一大主题,如何高效地利用能源日益受到人们的关注。吸附式制冷因在制冷功率上难以和传统压缩式制冷相比较,但其以低品位热能的驱动方式且最终产物仅为水,展现出环保和节能的优点完全符合当今人类发展的需要。本文将具有一定吸附能力的氯化钙与导热性能优良、比表面积大的碳纳米管进行复合并且固化,旨在得到传热与传质性能都较为优秀的复合吸附剂。进行太阳能模拟吸附实验对吸附剂的吸附量进行测定,分别考察其单位制冷量、制冷功率、吸附速率与吸附值周期等因素;采用Hot Disk热常数分析仪对吸附剂的导热系数进行测定。最后综合评价吸附剂的吸附性能和导热性能,评估其应用潜力。并且结合本复合吸附剂,深入探究多孔介质传热传质机理,研究其物理及化学吸附过程。经过实验数据的分析及对比,得出了对于本吸附剂最合适的制冷剂,探究了不同吸附剂配比、烧结温度及固化密度对吸附性能及导热性能的影响。在此基础上提出了针对于本吸附剂的最优制备方法:将碳纳米管和氯化钙分别加以预处理后,将二者以去离子水充分均匀混合,再加入粘结剂凹凸棒土搅拌均匀,在240℃下烧结,其中碳纳米管含量为1.5%,该配比状态下固化复合吸附剂导热系数可达1.8238W/(m·K)。固化复合吸附剂相比于固化纯氯化钙吸附速率提高了21.78%,单位质量制冷量可达416.39kJ/kg。该固化复合吸附剂吸附剂在太阳能制冷领域表现出较大的应用潜力,为吸附剂固化的研究提供了借鉴与参考。最后,从多孔介质的角度探究了固化复合吸附剂的传热传质机理:固化复合吸附剂内部的热量传递主要是通过碳纳米管和氯化钙的热传导方式进行的,质量传递主要是通过对流传质方式来实现的。

关键词：太阳能吸附制冷固化复合吸附剂碳纳米管氯化钙传热与传质

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基于毕渥数的果蔬阶段降湿热风干燥特性

农业工程学报 2022年第12期38卷 317-324页

作者：巨浩羽张卫鹏张鹏飞张琦高振江肖红伟河北经贸大学生物科学与工程学院石家庄050061 中国农业大学工学院北京100083 北京工商大学人工智能学院北京100048 江苏丰尚科技智能有限公司研发部 225100 扬州大学机械工程学院 225009

为了揭示阶段降湿热风干燥技术的适用性,该研究在干燥温度60℃、风速1.0 m/s时,研究了不同厚度胡萝卜片(6、12、18 mm)和龙眼物料在阶段降湿(第1阶段相对湿度(Relative Humidity,RH)50%保持30 min;第2阶段RH 20%至结束)和连续排湿(RH1,... 详细信息

为了揭示阶段降湿热风干燥技术的适用性,该研究在干燥温度60℃、风速1.0 m/s时,研究了不同厚度胡萝卜片(6、12、18 mm)和龙眼物料在阶段降湿(第1阶段相对湿度(Relative Humidity,RH)50%保持30 min;第2阶段RH 20%至结束)和连续排湿(RH传热毕渥数(heat transfer Biot,Bi_(h))和传质毕渥数(mass transfer Biot,Bi_(m))、水分有效扩散系数(effective moisture diffusion coefficient,D_(eff))、色泽、复水比及能耗值。研究表明:对于厚度为6 mm的胡萝卜片和龙眼物料,相对于阶段降湿,连续排湿有助于提高干燥效率;对于12或18 mm的胡萝卜片,阶段降湿能够提高D_(eff)。6、12和18 mm的胡萝卜片在干燥过程中的Bi_(h)分别为0.5827、1.1655和1.7482。6 mm时Bi_(h)1,物料表面和内部存在着较大的水分和温度梯度,此时需要采用阶段降湿干燥方式。不同厚度胡萝卜片干燥过程中的Bi_(m)在0.1568~0.2230之间;连续排湿和阶段降湿干燥条件下,龙眼Bi_(m)分别为0.1103和0.0843。这表明,水分由果肉内部迁移至果肉表面的传质阻力较小,干燥过程中果肉收缩、坚硬的外壳及外界较高RH使得水分迁移产生较大阻力。不同厚度胡萝卜片Bi_(m)>0.1,表明物料内部至表面存在较大的水分梯度,应采用高RH以减小表面水分蒸发速率,同时升高物料温度。对于6 mm胡萝卜和龙眼物料,连续排湿干燥条件下色泽较好,复水比高且能耗低;而对于12或18 mm的胡萝卜片,阶段降湿干燥条件下具有较好的色泽,较高的复水比及较低的能耗。综上,阶段降湿干燥过程中,Bi_(h)>1且Bi_(m)>0.1时,说明阶段降湿干燥适用于此物料的干燥,否则宜采用连续排湿干燥方式。该研究可为果蔬热风干燥过程中合适的RH调控方式筛选提供理论依据和技术支持。

关键词：干燥湿度阶段降湿毕渥数传热与传质果蔬

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人工林柚木间伐材过热蒸汽干燥工艺研究

林产工业 2022年第5期59卷 8-12,40页

作者：向瑶允帅刘文金孙德林郝晓峰中南林业科技大学材料科学与工程学院湖南长沙410004

为获得高效节能的柚木干燥工艺,以人工林柚木间伐材为研究对象,系统研究了不同过热蒸汽温度(110、120、130、140℃)对柚木锯材干燥过程中的传热、传质速率及干燥质量的影响规律,获得柚木过热蒸汽干燥预热恒湿应力释放、慢速升温恒速干... 详细信息

为获得高效节能的柚木干燥工艺,以人工林柚木间伐材为研究对象,系统研究了不同过热蒸汽温度(110、120、130、140℃)对柚木锯材干燥过程中的传热、传质速率及干燥质量的影响规律,获得柚木过热蒸汽干燥预热恒湿应力释放、慢速升温恒速干燥及减速升温减速干燥三个不同阶段的临界干燥温度,分别为110、130℃和120℃。研发了分段梯度控温的柚木过热蒸汽干燥工艺,并进行工厂中试研究。结果表明:使用过热蒸汽干燥能有效提高人工林柚木间伐材的干燥质量,缩短生产周期并降低生产成本。

关键词：柚木间伐材过热蒸汽干燥传热与传质中试研究

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深水多梯度钻井井筒温度场

中国石油大学学报（自然科学版） 2020年第5期44卷 62-69页

作者：杨宏伟李军柳贡慧高旭王江帅骆奎栋中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 北京工业大学北京100124 中国石油长庆油田分公司第二采气厂陕西榆林719000

准确预测多梯度钻井中的井筒温度分布有利于精确地控制井筒压力。考虑空心球由钻柱内进入环空过程中引起的传热和传质,基于质量、动量和能量守恒原理建立多梯度钻井综合瞬态传热模型。使用有限体积法对该模型进行求解,并利用现场实测温... 详细信息

准确预测多梯度钻井中的井筒温度分布有利于精确地控制井筒压力。考虑空心球由钻柱内进入环空过程中引起的传热和传质,基于质量、动量和能量守恒原理建立多梯度钻井综合瞬态传热模型。使用有限体积法对该模型进行求解,并利用现场实测温度对该模型进行验证。通过模型分析多梯度钻井中的井筒温度分布,并研究不同敏感性参数对井筒温度的影响。结果表明空心球转移引起的传热和传质使分离器处的环空温度沿流动方向突然降低,形成一个突变点;空心球使井筒流体的传热速率降低,导致环空温度随着注入流体中空心球质量分数的增加而降低;旋流分离器的位置和数量对环空温度都有较大影响,但环空温度对旋流分离器的位置更敏感。

关键词：多梯度钻井传热与传质井筒温度有限体积法空心球旋流分离器

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基于多孔介质加氢裂化反应器多相流数值模拟

石油学报（石油加工） 2012年第2期28卷 260-267页

作者：刘小波毛羽王娟王江云中国石油大学重质油国家重点实验室北京102249

采用欧拉多相流模型,通过建立多孔介质能量守恒模型、热量传递模型和质量传递模型,对加氢裂化反应器内的多相流动、传热和传质进行了数值模拟计算,得到了反应器内多孔介质床层的速度场、温度场、浓度场和压力分布。结果表明,多相流模型... 详细信息

采用欧拉多相流模型,通过建立多孔介质能量守恒模型、热量传递模型和质量传递模型,对加氢裂化反应器内的多相流动、传热和传质进行了数值模拟计算,得到了反应器内多孔介质床层的速度场、温度场、浓度场和压力分布。结果表明,多相流模型的选取、传热传质模型的建立、油品物性的计算和边界条件的设置能够较准确地描述三相流动状态及其分布状态。反应器入口处的流动状况将直接向内部传递,壁面流随流动而发展,其宏观描述为:在出口床层处径向体积分率曲线出现拐点,进而使流体在催化剂床层径向和轴向分布不均匀,气化率得到提升。为了获得反应介质与催化剂充分混合的流体分布状态,有效利用催化剂,反应器入口处的流动状态必须得到优化。

关键词：计算流体力学加氢裂化模拟计算多孔介质传热与传质

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樟木过热蒸汽干燥工艺初探

林产工业 2018年第9期45卷 58-62页

作者：郝晓峰熊新阳李贤军吴义强郭鑫中南林业科技大学

为探索樟木锯材过热蒸汽干燥工艺,笔者在干燥介质温度为110、120、130℃及140℃条件下进行樟木过热蒸汽干燥,系统研究了干燥介质的过热温度对樟木锯材干燥过程传热、传质及干燥质量的影响,并初步得出了樟木锯材过热蒸汽干燥工艺,为樟木... 详细信息

为探索樟木锯材过热蒸汽干燥工艺,笔者在干燥介质温度为110、120、130℃及140℃条件下进行樟木过热蒸汽干燥,系统研究了干燥介质的过热温度对樟木锯材干燥过程传热、传质及干燥质量的影响,并初步得出了樟木锯材过热蒸汽干燥工艺,为樟木高温过热蒸汽干燥产业化应用提供了基础数据。

关键词：樟木过热蒸汽干燥传热与传质