文丘里洗涤器毕业论文刘付杰成

本科生毕业论文题目 文丘里洗涤器的实验研及 CFD 模拟学院名称 化学工程学院专业名称 化学工程与工艺学生姓名 刘付杰成指导教师 曹睿副教授起止时间：2016 年 3 月 1 日至 2016 年 6 月 10 日单位代码：11414学号：2012010562摘 要I摘要我国化学工业实现可持续发展现状，我国化学工业经历了半个世纪的发展,已经形成了门类比较齐全、品种大体配套并基本可以满足国内需要的化学工业体系，但随之而来的是严重的空气污染。在工业生产加工过程中会产生大量的带尘烟道气，是给大气带来严重污染的主要因素之一，但目前关于这方面的研究较少，本文是在煤化工除尘条件下对影响文丘里洗涤器水力性能的结构参数及工作状态进行研究，通过 CFD 计算流体力学软件对文丘里洗涤器内部流场进行探究。以进口管直径 50mm 的文丘里管作为研究对象，进行单变量研究。运用实验和 CFD 流体力学数值模拟相结合的方法，研究不同进流量、喉管长度和扩张段锥度等结构参数对文丘里洗涤器出口断面流速、管内压力分布和内部流动均匀性的影响。对喉管长度分别为50mm，75mm 和 100mm 的文丘里管进行单空气和空气水两相实验，并且在实验的基础上分析流场分布。再对单空气相进气的文丘里管进行数值模拟验证，对比数值模拟和实验分析的结果，最终确定文丘里管优质运行状态下进气量、喉管长度和扩张段锥度的选取。关键字：除尘；文丘里洗涤器；压降ABSTRACTIIVenturi scrubber experimental study and CFD simulationABSTRACTThe chemical industry to realize the sustainable development of our country , the development of chemical industry in China has experienced half a century and has formed a relatively complete categories, varieties in general and basic can meet the needs of the domestic chemical industry system. But what followed was a serious air pollution.In the process of industrial production will produce large amounts of dust flue gas, is one of the main factors that bring the atmosphere serious pollution, but at present the research about this aspect is less, This article is based on research that study the structure parameters of influence _ venturi scrubber hydraulic performance, To explore internal flow field of venturi scrubbers by CFD computational fluid dynamics software . In this paper, based on the import of pipe diameter of 50 mm venturi tube as the research object, carries on the single factor study . Combining experimental and CFD numerical simulation method to explore how different inlet flow rate, throat pipe length, expansion taper and other structure parameters effect on export section velocity, pressure distribution and the internal flow uniformity within the tube. The length of the chokes are provided 50mm, 75mm, 100mm venturi tube for single air and air - water two-phase experiments, meanwhile analyze the flow field on the experimental basis. For single phase air intake venturi tube is used to numerically simulate test and verify, comparing the results of numerical simulation results and experimental analysis ,and finally determine the air inflow，throat pipe length, expansion taper to ensure Venturi scrubber in a fine operation.Key Words：dust flue gas ；venturi scrubber；pressure drop目 录III目 录摘要 .IABSTRACT.II前 言 .1第 1 章文献综述 .21.1 课题背景 .21.1.1 我国煤化工发展现状 .21.1.2 煤化工加工流程 .21.1.3 减少空气污染的措施 .41.2 除尘 .41.2.1 工艺除尘技术应用现状 .41.2.2 除尘方式 .51.3 流体流动 15 .61.3.1 流体及其特点 .61.3.2 流体的性质 .61.4 文丘里洗涤器的除尘机理 .71.4.1 文丘里管 .71.4.2 除尘机理 .81.5 压降模型 .91.5.1 Calvert 压降模型 .91.5.2 环状流压降模型 .101.5.3 段振亚模型 .141.6 液滴模型 .181.6.1 Nukiyama 和 Tanasawa 液滴直径关联式 .181.6.2 Boll et al 液滴直径关联式 .181.7 软件介绍 .191.7.1 FLUENT 介绍 .191.7.2 GAMBIT 介绍 .191.7.3 ORIGIN 介绍 .191.8 本章小结 .20第 2 章 文丘里洗涤器扩张角 .21目 录IV2.1 文丘里洗涤器扩张角度确定 .212.2 文丘里洗涤器优扩张角下气量的考察 .26第 3 章实验内容及数据处理 .313.1 实验内容 .313.1.1 实验目的 .313.1.2 实验设备 .313.1.3 实验设备流程图 .313.1.4 实验原理 .323.1.4 实验步骤 .333.2 实验数据及处理 .343.3 本章小结 .41第 4 章气液两相数值模拟 .424.1 文丘里洗涤器气液两相数值模拟 .424.2 模拟与实验的压力分布对比 .43第五章 结论 .465.1 文丘里洗涤器扩张角度对压力降的影响 .465.2 实验结论 .465.3 实验与模拟对比结论 .47致 谢 .48参考文献 .50附录 1 文献翻译原文 .1附录 2 文献翻译译文 .13前 言- 1 -前 言如今，大多数的工业生产甚至农业生产中都会产生大量的烟道气，这些烟道气中含有大量的固体颗粒，即为我们熟知的灰尘。这些灰尘如若直接排放到大气中将会对周边环境直接造成污染，导致空气质量严重下降，更有甚者会成为当今社会热门关注的雾霾。因此，烟道气除尘成为必不可少的研究课题。在目前的众多研究中，文丘里洗涤器的除尘效果显著，是我们首选的的除尘设备之一。本研究即为文丘里洗涤器在烟道气除尘中的实验研究。使含尘气体与液体密切接触，利用液滴对固体颗粒进行捕集，从而把气体中的固体颗粒带走，达到除尘的目的。文丘里洗涤器又称文丘里管除尘器。除尘过程可分为雾化、凝聚和除雾三个阶段，雾化和凝聚阶段在文丘里管内进行，除雾阶段在除雾器内进行。文丘里管包括收缩段、喉管和扩散段。含尘气体从文丘里洗涤器的收缩段进入，收缩段的缩径使流体流速增大，直径最小喉管是流速达到最大值。液相从文丘里洗涤器的入口处加入，由于气液两相间相对流速很大，液相被高速的气相雾化，气体湿度增加，气相中的灰尘颗粒（简称尘粒）被液相润湿。尘粒与液滴或尘粒之间发生激烈碰撞和凝聚形成团聚物。进入扩散段后，流体流速减小，压力得到回升，以尘粒为核心的凝聚作用加快，凝聚成直径较大的团聚物，进而在除雾器内被捕集。本文针对于工业除尘进行研究。本研究通过对不同型号的文丘里洗涤器进行实验及模拟，在改变文丘里洗涤器的喉管段长度、进气量及进液量等因素下，对其压力和压降进行研究比较。通过改变文丘里洗涤器的喉管长度、气体流量、液体流量等，研究文丘里洗涤器各部分的压力和压降的变化。对于喉管长度的影响，目前说法不一，William 1 认为，文丘里洗涤器的压力损失对喉管长度变化不敏感，天津大学段振亚 2 认为，喉管长度对于压力损失的影响不可忽略。本文针对于喉管长度、进气量及进液量对文丘里洗涤器的压力和压降进行实验和模拟的研究比较，并对其分别作出分析和评价。中国石油大学（北京）本科毕业论文- 2 -第 1 章文献综述1.1 课题背景1.1.1 我国煤化工发展现状煤炭是重要的化石能源，也是很多化工品的主要原料。在我国，煤炭能源占到总能源的68%，而石油只占了 18%，是典型的“少油富煤”的国家。据统计，2014 年中国石油储量为 150 亿桶，占世界石油储量的 1.1%。近年来我国原油的对外依存度持续保持在一个很高的水平。近些年来，随着经济的快速发展，我国逐渐建设有众多动力用煤产地，以煤炭为主要构成的能源消耗持续增长，煤化工在化工和能源领域中已占有重要地位。因此，我国以煤炭资源为主的能源结构不会改变。但值得注意的是，在煤化工生产的各环节中，都会有大量的粉尘产生，不仅影响了工业生产，还对人们的健康有害。因此为了保证生产安全以及后续工作能够正常进行，煤化工生产的各个环节对除尘的要求十分严格，不同于环境保护规定中对大气中粉尘的限制条件。所以，煤化工对除尘设备的要求也非常严苛。另一方面，控制大气污染的规定近年来也变得越来越严格。为了满足规定的要求，高除尘效率的设备已经成为了研究的主题。尽管在化学工业中的除尘设备很多，但能除去 0.1m 以下的颗粒的除尘器就寥寥无几了。文丘里洗涤器就是一种高效率的洗涤器。它结构简单，适用性强，但是其高除尘效率是以所提供的能量以及气体压力损失为代价的。因此，研究文丘里洗涤器的压降模型以及除尘效率是有重要意义的。1.1.2 煤化工加工流程煤化工可分为传统煤化工与新型煤化工。传统煤化工包括甲醇、甲醛、合成氨/尿素、乙酸、电石和乙炔衍生物等。而新型煤化工则包括煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烃、煤制天然气以及煤制二甲醚。由于我国二甲醚市场的需求远低于预期，产能过剩，下面主要介绍其他 4 种煤化工 34(1) 煤制烯烃乙烯、丙烯作为重要的化工原料，其产量的高低一直被视为一个国家石化工业发达程度的标志。传统生产工艺是通过石脑油裂解制取乙烯和催化裂化副产丙烯。该工艺的不足在于其过分依赖石油，尤其是在石油资源日渐匮乏的今天，其前景令人十分担忧。因此，采用煤制烯烃技术，可以在一定程度上减少我国对石油资源的过分依赖，对于推动石油贫乏地区的工业发展也具有重要意义。国内的一些科研机构，如中国石油大学、中科院大连化物所、中国石化石油化工科学研究院等均开展了煤制烯烃的研究工作。在 MTP 工艺的研究方面，也取得了重大的突破，由中国化学工程集团公司、淮南化工集团公司、清华大学联合开发了新一代煤制丙烯技术，即 FMTP,并于 2009年一次性开车成功 5(2) 以煤为原料生产乙二醇，主要有三种工艺路线 6 。第 1 章 文献综述- 3 -通过煤气化来制得合成气，合成气再经过一步直接制取乙二醇。其反应的化学方程式如下： 22CO+HCOH该反应的反应条件很苛刻，需要在高温高压和有催化剂的条件下进行。通过煤气化制得合成气，再经合成气制取，甲醇制乙烯，乙烯氧化制环氧乙烷，最后用环氧乙烷水合法制乙二醇。不足之处是流程较长，并且在甲醇制乙烯的过程中会产生丙烯。煤气化制取合成气， 催化偶联合成草酸酯，然后加氢生成乙二醇。该CO方法是最先实现煤制乙二醇工业化的方法 7。(3) 煤制油广义上，煤制油包括煤炭间接液化、煤炭直接液化、甲醇制汽油和煤焦油氢化。但属于新型煤化工范畴的是煤炭间接液化、煤炭直接液化。煤间接液化基于煤气化工艺，然后以合成气为原料，在催化剂的作用下合成液态烃类产品。主要方法有：采用浆态床反应器的费托合成技术，改良费托法，荷兰壳牌公司开发的 SMDS 法。煤直接液化是由德国科学家 Bergius 于 1913 年首先发明的。于 50 年前煤直接液化已达到工业化应用水平。目前，国内从事煤直接液化的示范项目研究主要是以神华为代表，而且其研究主要集中在催化剂研发，工艺开发以及示范工程建设等几个方面 8 。(4) 煤制天然气随着中国产业结构的不断升级，对环境保护的日益重视，全国的民用和工业的天然气消费量不断增加。但产量严重不足，所以发展煤制天然气技术得到越来越多的重视。煤制天然气工艺分为两步法和一步法 9 。两步法是指以煤为原料制取合成气，在合成气经净化和转化之后，在催化剂的作用之下，发生甲烷化反应，以生产替代天然气。一步法煤制天然气技术是指煤直接合成甲烷，进而得到煤制天然气。我国自 20 世纪 80 年代以来，包括西北化工研究院、中科院大连化物所等单位已经开始煤气甲烷化的研究，并取得了小规模的工业应用。但我国至今仍未掌握大型的合成气高温甲烷化工艺。1.1.3 减少空气污染的措施中国石油大学（北京）本科毕业论文- 4 -随着化工工业的高速发展，环境问题也越来越被重视。近年来，空气质量已经成为政府和人民关注的对象。特别是我国的重工业地区如京津冀工业区，雾霾已经成为最重要的污染因素之一。那么，针对于这种情况，从工业生产的源头进行处理是减少空气污染的重要方法之一。工业生产过程中，烟道直接排放出来的烟气中带有大量的烟尘和粉尘，它们是造成空气中固体颗粒含量升高的直接因素，对大气造成严重污染，所以对于烟道气的除尘工作刻不容