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多层错流旋转填料床流场流体流动模拟研究

多层错流旋转填料床流场流体流动模拟研究

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作者：段稀凡中北大学

学位级别：硕士

超重力旋转填料床是化工强化过程中的关键设备,综合运用了物系内部之间的传递原理、反应原理及相关平衡特性来提高化工过程速率。为了满足不同化工生产,旋转填料床根据气液接触形式分为逆流、并流和错流。尽管错流旋转填料床更适合大气... 详细信息

超重力旋转填料床是化工强化过程中的关键设备,综合运用了物系内部之间的传递原理、反应原理及相关平衡特性来提高化工过程速率。为了满足不同化工生产,旋转填料床根据气液接触形式分为逆流、并流和错流。尽管错流旋转填料床更适合大气量的气液传质过程,但错流旋转填料床在强化气相阻力控制过程方面不足。多层错流旋转填料床凭借其独特的结构解决上述问题,将错流旋转填料床的单层填料设计成三层,分为上下两层旋转的填料,中间一层定子填料。该结构具有强烈扰动气流的作用,能够减小气旋,从而强化气相传质。因为多层错流旋转填料床内部结构严密复杂和气体速度大等特点,导致难以使用现有技术对其内部流场进行定性和定量分析,同时在内部传质机理等方面的研究不足,也都限制了它的工业应用。基于上述分析,以多层错流旋转填料床为研究对象,采用计算流体力学技术,建立了三维物理模型,采用标准RSM湍流模型和SIMPLE算法,将实际的填料视作多孔介质,采用多孔介质模型,对其内部气相流场及液相流场进行模拟,探究多层错流旋转床内部液体流动特性,及定子填料对气体流动的影响。为多层错流旋转填料床内部流场的研究提供理论指导和数据支持,同时为后续复杂的气液传质效果的研究建立基础。本文的主要研究内容如下:(1)在气相模拟中,气体流量与不同转速对多层错流旋转填料床的湍动能、湍流耗散率、湍流黏度和压强的影响,随转速增强,低转速时内部的湍动能逐渐增加,高转速时的湍动能则会在1400rpm下达到最大。湍流黏度与湍流耗散率在填料床内部转速达到1400rpm时最大;随气量增大,第一层填料湍动能与湍流耗散率先减后增,第三层填料一直增加。第二、三层湍流黏度稳定不变,第一层填料内部不同位置的湍流黏度则会随气速增大而先减后趋于稳定。整体压降随气量增大,先减小后趋于平缓。不同径向位置和轴向位置的影响,随轴向位置增大,第一层填料的湍动能明显大于其它层填料,第二层填料湍流黏度最大,第三层填料压强最大;随径向位置的增大,湍动能逐渐增加,压强的变化从填料内向外先减小后增大;填料边缘湍流耗散率比填料内部大,填料内部湍流黏度比填料边缘大。定子填料对多层错流床的影响,填料定子存在能够有效增强填料内部的湍动能、湍流耗散率、湍流黏度和压强,增强填料床内部强化的作用。对云图进行了定性分析,从多层错流旋转填料床内部云图来看,填料定子有增强气体流场的湍动能、压强、湍流黏度的作用。(2)在液相模拟中,液体速度与不同转速对多层错流旋转填料床的湍动能、湍流耗散率、湍流黏度和压强的影响,随转速增强,内部液体湍动能是先增加后减小的,在800rpm下最大。湍流黏度与湍流耗散率在内部转速达到1400rpm时最大。在600rpm时,湍流耗散率和湍流黏度最小;随进口液体速度增加,液体湍动能、湍流耗散率、湍流黏度在3.0m/s最小,压强会达到最大。不同轴向位置的影响,随轴向位置的变化,动转子填料内部湍动能很大,靠近液体进出口湍流耗散率大。第一层填料的液体进口处湍流黏度最大。对云图进行了定性分析,从多层错流旋转填料床内部云图看,填料定子有稳定液体流场的湍动能、压强、湍流黏度的作用,同时对液体起到再分布的作用。研究表明了多层错流旋转填料床的中间静止填料层能够有效减小气旋,强化气相流场扰动,使液体重新分布增强气液接触,多层错流旋转填料床能够强化气液传质。

关键词：计算流体力学技术多层错流旋转填料床传质特性湍动能填料定子

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