基于Aspen_Plus的超重力精馏过程模拟与优化学位论文.pdf

分类号：分类号：tq019. 单位代码：单位代码：10110 学学 号：号：s20110856 中中 北北 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 aspen plus 的超重力精馏过程的超重力精馏过程 模拟与优化模拟与优化 硕士研究生硕士研究生 王新成王新成 指导教师指导教师 栗秀萍栗秀萍 学科专业学科专业 化学工程化学工程 2014 年年 5 月月 15 日日 图书分类号图书分类号 tq019 密级密级 非密非密 udc 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 aspen plus 的超重力的超重力精馏过程精馏过程模拟模拟与与优化优化 王新成王新成 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 栗秀萍栗秀萍 教授教授 申请学位级别申请学位级别 工工 学学 硕硕 士士 专业名称专业名称 化化 学学 工工 程程 论文提交日期论文提交日期 2014 年年 5 月月 15 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2014 年年 5 月月 21 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 答辩委员会主席答辩委员会主席 2014 年年 5 月月 15 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校学校 可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学校可允许 学位论文被查阅或借阅；学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文；位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解 密后遵守此规定） 。密后遵守此规定） 。 签签 名：名：_ 日期：日期：_ 导师签名：导师签名：_ 日期：日期：_ 中北大学学位论文 基于 aspen plus 的超重力精馏过程模拟与优化 摘 要 近年来随着超重力精馏技术的应用领域不断扩展， 人们对超重力精馏技术模拟精度 的要求越来越高。本文在前人对超重力场中传递模型研究的基础上，通过修正传统精馏 模型中传质关联式、 相界面积关联式等模型方程的方法建立起了基于非平衡级模型的超 重力精馏过程模型方程。 利用 fortran 语言程序编写了超重力场下的传质关联式和相界比表面积关联式 子程序，经过编译后以动态链接文件的形式导入 aspen plus 软件完成了对 aspen plus 内传质关联式和相界比表面积关联式的修正， 基于 aspen plus 内置的 rate-based 模型(非 平衡级模型)实现了在 aspen plus 内建立超重力精馏过程汽、 液两相非平衡级数学模型， 并利用非平衡级模型对甲醇-水体系超重力精馏过程进行模拟。通过对比陈昱邵、reddy 传质系数关联式以及 rajan、onda 修正相界比表面积关联式对模拟结果的影响，由超重 力精馏实验结果选择了模拟精度更高的 rajan 传质系数关联式、onda 相界比表面积关 联式，证明了非平衡级模型在超重力精馏过程模拟中的可靠性，模拟结果表明超重力场 下的传质速率比重力场提高 1 个数量级。 本文基于 aspen plus 平台建立的汽、 液两相非平衡级超重力精馏模型对超重力精馏 分离甲醇-水过程进行了模拟与优化，深入分析超重力精馏塔内进料位置、回流比、转 速、原料流量、原料浓度等操作参数对整个体系的影响。基于 aspen plus 内对各个参数 灵敏度分析的结果得到了最佳的操作条件为进料位置为第 13 块塔板、回流比为 1.6、转 速为 900rpm、原料流量为 30l/h、原料浓度为 25%(质量分数)。 关键词：超重力精馏，非平衡级模型，aspen plus 中北大学学位论文 higee distillation process simulation and optimization based on aspen plus abstract in recent years, great progress has been made in application of higee distillation; therefore much higher demanding of higee distillation process simulation accuracy is being required. in this work, a two-phase non-equilibrium mathematical model of higee distillation has been developed base on transport process models of high gravity filed by modifying the mass transfer coefficient correlations and interfacial area correlation of distillation model in gravity filed. mass transfer coefficient subroutine and interfacial area subroutine of high gravity filed were programmed by fortran language. the dynamic link library files of subroutines were introduced into aspen plus to account for the modification on the mass transfer model and interfacial area model of an rated-based unit. so, the rated-based unit in aspen plus could be used for modeling and simulating the higee distillation process of methanol and water. more accurate mass transfer coefficient correlations and interfacial area correlation were chosen and model reliability of higee distillation were demonstrated by analyzing simulation results of the chens and reddys mass transfer coefficient correlations, and rajans and ondas interfacial area correlations. the simulation results show that the mass transfer rate could be elevated one order of magnitude. in this work, the higee distillation process of simulation and optimization of methanol and water was carried out on the basis of the established two-phase non-equilibrium model of higee distillation process on aspen plus platform, and analyzed the effective of design and operation parameters such as feed stage, reflux ratio, rotational speed, volume flow rate of feed, fraction of mass in feed to the whole system substantially. moreover according to the sensitivity analysis of aspen plus, the optimal conditions could be found. the feed stage of 13, reflux ratio of 1.6, rotational speed of 900 rpm, volume flow rate of feed of 30l/h, 中北大学学位论文 fraction of mass in feed of 25% are the optimal conditions. keywords: higee distillation, non-equilibrium model, aspen plus 中北大学学位论文 i 目 录 1 文献综述 1.1 前言 1 1.2 超重力场传递模型研究进展 1 1.2.1 压降模型研究进展 1 1.2.2 液泛模型研究进展 5 1.2.3 持液量模型研究进展 7 1.2.4 传质模型研究进展 8 1.2.5 相界面积模型研究进展 12 1.2.6 传热模型研究进展 13 1.3 aspen plus 在超重力过程模拟中的应用 . 14 1.3.1 化工过程模拟 14 1.3.2 aspen plus 在超重力场中的应用 . 15 1.4 课题研究的目的、意义及研究内容 16 1.4.1 研究目的及意义 16 1.4.2 研究内容 16 2 超重力精馏过程模型的建立 2.1 引言 17 2.2 模型分析与简化 17 2.2.1 超重力精馏塔的物理模型 17 2.2.2 超重力精馏塔的模型简化 18 2.3 模型方程的建立 19 2.3.1 冷凝器模型方程 . 19 2.3.2 非平衡级模型方程 20 2.3.3 再沸器模型方程 21 中北大学学位论文 ii 2.4 模型参数的计算 . 22 2.4.1 质量传递系数的计算 22 2.4.2 热量传递系数的计算 24 2.4.3 相平衡常数的计算 25 2.4.4 物性参数的计算 27 2.5 模型方程的求解 31 2.6 小结 31 3 超重力精馏过程模型验证 3.1 模型建立 33 3.2 模型方程修正 34 3.2.1 传质模型方程修正 35 3.2.2 相界面积方程修正 38 3.2.3 fortran 程序的编译及链接 . 39 3.3 模拟参数 40 3.3.1 模拟组分 40 3.3.2 物性方法 40 3.3.3 模拟基础数据 40 3.4 模型准确度验证 41 3.4.1 不同传质关联式对塔顶甲醇含量的影响 . 41 3.4.2 不同传质关联式对 hetp 的影响 . 42 3.4.3 不同相界比表面积关联式对舍伍德数的影响 . 42 3.5 小结 43 4 甲醇-水超重力精馏过程模拟 4.1 模拟流程的建立 . 44 4.1.1 模拟假设 . 44 4.1.2 流程建立 44 4.1.3 初始条件 45 中北大学学位论文 iii 4.1.4 模拟计算方法 . 46 4.2 模拟结果及讨论 . 46 4.2.1 汽液相浓度分布和温度分布 . 46 4.2.2 超重力场和重力场传递特性对比 49 4.3 小结 58 5 甲醇-水超重力精馏工艺优化 5.1 进料位置灵敏度分析 59 5. 2 回流比灵敏度分析 . 60 5.3 转速灵敏度分析 61 5. 4 原料流量灵敏度分析 . 63 5. 5 原料浓度灵敏度分析 . 64 5.6 小结 . 66 6 结论和创新点 6.1 结论 67 6.2 创新点 67 6.3 不足与建议 . 68 附录 附录 i mass transfer fortran 子程序 . 69 附录 ii interfacial area fortran 子程序 . 82 参考文献 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 致谢 中北大学学位论文 i 主要符号表 a 有效相界比表面积，m2 m-3 ap 填料比表面面积，m2 m-3 at 填料比表面面积，m2 m-3 ac 离心加速度，m s-2 b 混合气体第二维里常数 b 传质系数逆矩阵，s m-1 dp 填料当量直径，m cp 定压热容，j kg-1 k-1 e 传热速率，j s-1 f 逸度，pa f 原料流量，l h-1 fr 弗劳德数(froude jh 传热因子 jd 传质因子 h 液相焓值，j mol-1 h 汽相焓值，j mol-1 hv 汽相传热系数，j m-2 s-1 hl 液相传热系数，j m-2 s-1 gr 格拉晓夫准数(grashof number) ga 伽利略准数(galileo number) kl 液相传质系数，m s-1 kv 汽相传质系数，m s-1 k 相平衡常数 kik 多组分传质系数矩阵 l 液相流量，mol s-1 中北大学学位论文 ii n 传质速率，mol s-1 nu 努塞尔准数(nusselt number) p 压力，pa pr 对比压力 pr 普兰德准数(prandtal number) q 冷凝器功率，w r 气体常数，8.314j mol-1 k-1 re 雷诺准数(reynolds number) sc 施密特准数(shmidt number) sh 舍伍德准数(sherwood number) t 温度， tr 对比温度 ub 液体流速，m s-1 v 摩尔体积，m3 mol-1 we 韦伯数(weber number) x 液相摩尔分数 y 汽相摩尔分数 z 压缩因子 活度系数 填料空隙率，m3 m-3 密度，kg m-3 偏心因子 粘度，pa s 热力学因子校正矩阵 二元交互作用参数 逸度系数 中北大学学位论文 1 1 文献综述 1.1 前言 超重力技术作为一种新型的过程强化技术，已经成功的应用在脱硫、除尘、氨氮废 水吹脱、纳米粉体制备、油田注水脱氧、精馏等领域。并且已经在脱硫、除尘、废水处 理、纳米粉体制备、油田脱氧等领域实现了工业化，减小了设备费、操作费，创造了显 著的经济价值1-3。作为一种应用广泛的化工单元操作，很多专家学者已经对重力场中 精馏过程汽液传质过程进行了深入地研究。并且根据重力场中气液之间的传质关联式、 液泛关联式、压降关联式、持液量关联式、相界面积关联式等模型方程完成了对传统精 馏过程的模拟，实现了对传统精馏塔的设计4。然而，对超重力场中精馏过程的研究仅 仅局限于精馏应用性能的研究5-10， 对超重力场中气液之间的传质关联式、 液泛关联式、 压降关联式、持液量关联式、相界面积关联式等模型方程在精馏过程中应用研究较少。 由于实验条件限制，人们很难研究超重力精馏过程的温度分布、浓度分布、传热速率分 布等传递特性。 因此采用化工过程模拟技术联立求解超重力场中的传递模型方程是一种 可行的方法。 综上所述，如何根据超重力场中已经研究过的传质关联式、液泛关联式、压降关联 式、持液量关联式、相界面积关联式等传递模型方程来模拟超重力精馏过程，并用于超 重力精馏过程的优化，是超重力精馏技术未来发展的一个新的方向。计算机处理能力的 提高以及化工过程模拟技术的快速发展为研究这一课题提供了非常便捷的研究基础。 1.2 超重力场传递模型研究进展 1.2.1 压降模型研究进展 目前，用于计算旋转填料床气相压降的公式可分为三类：第一类是以 kumar 为代 表的按离心过滤速率方程式推导的理论模型； 第二类是以郑冲为代表的半经验半理论模 型；第三类为经验关联式。 中北大学学位论文 2 keyvani11使用填料比表面积为 656m2/m3、1476 m2/m3、 2952 m2/m3， 孔隙率为 0.92 的多孔填料对超重力场中的气相压降进行实验研究和模型研究。实验结果表明，在 300rpm-1200rpm 的范围内，干床压降始终大于湿床压降，压降随着转速增加而增加， 压降与转速的二次方成正比。气相压降随着气体流量和增加，压降逐渐增加。从以上实 验结果可知，旋转填料床气相压降受转速、气液流率、填料厚度等因素的综合影响，而 在传统传质设备中气相压降仅与总曳力有关。 这主要是因为旋转填料床将传质操作环境 由重力场转变为可变的离心力场，从而导致其操作特性与传统传质设备存在很大差异。 kelleher 等人5的气相压降的出现的实验结果也证明了了 keyvani 在实验过程中发 现的实验现象：压降随着转速平方成正比，气相压降受液体流量的影响较小。 keyvani 还建立了旋转填料床内干床压降和湿床压降的模型方程，在计算干床压降 时，假定气体不可压缩，轴向速度为 0，角速度在切向不发生变化，建立了柱坐标体系 下的连续方程，干床压降模型方程简化后可以化简成下式。 2 2 dd drdr gggg vvp ravbv (1.1) 式(1.1)中vv，对于 eurgun 模型而言，模型参数 a，b 可以用下式表示 32 150(1)(d ) gsp a (1.2) 2 1.75(1)d gsp b (1.3) 湿床压降模型方程可以下式来表示 22 dd ()() drdr iigg pv a vvb vvr (1.4) 3 2 d () dr 122 i l l hvph qr (1.5) keyvani 将实验数据与压降模型方程的计算值进行了对比，模拟值与实验值的偏差 在 20%以内。 这表明压降模型方程具有很好的准确度， 对于特定的操作条件下具有一定 的参考价值。最重要的是 keyvani 建立了这种通过对气相和液相建立起连续性方程和 navier-stokes 方程来求解旋转填料床内气相压降的方法。 kumar12对旋转填料床内压降的研究方法与 keyvani 不同，kumar 采用了一种分段 中北大学学位论文 3 计算压降的方法。 kumar 将整个旋转填料床的压降p分为三部分， c p(离心压降)、 f p (摩擦压降)、 k p(气体动能改变造成的压降)。 2 22 21 1 2 cgs pkrr (1.6) 2 2 2 3 1 1 2 p fa g a g pk f ri (1.7) 其中： 21 ()()ii ri r (1.8) 2 3 2 3 2 3 1 2 1 2 1 3 1 2 1 3 1 2 3 8 1 ln 16 1 3 cr cr rc cr cr cri (1.9) 3 1 22 2 3 nh n c l l (1.10) 对于干床i可简化为 12 12 rr rr i ； s k气体对填料的滑移因数； fka摩擦因子； 在实验中 c p、 f p可由如下方法测得：当旋转床中无液体时，测出气体进出口两 端的压力差即为 c p，再在相同转速下测出通入液体后进出口的气相压力差，即可得出 f p。经实验验证，在相同转速相同气量下模型与实验结果的误差为 20%。 沈洁13、朱慧铭14、chandra15、李育敏16分别采用了与 kumar 类似的方法，按照 气相在通过转子时阻力压降分为三部分。沈洁通过实验数据拟合的压降公式表明，压降 与转速的平方成正比，得出了与 keyvani 模型相同的结论；朱慧铭的实验结果表明，压 降与转速的 1.9 次方成正比，虽然略低，但是结果与 keyvani、沈洁得出的结论还是很 相近的。a. chandra 实验结果表明，在这个分层填料旋转床中，离心压降和摩擦压降在 整个床层压降中占主要部分，由于动能转化为静压能所造成的压降很小，转速增加对压 中北大学学位论文 4 降的影响较小。分层填料逆转时的总压降和离心压降小于同转时总压降和离心压降，模 型预测值要略高于实验值。分层的旋转填料床的压降实验结果表明，分层填料旋转填料 床相比于传统旋转填料床具有更低的压降和更高的传质速率。 李育敏在 a. chandra 的基 础上建立了旋转折流床的压降模型， 干床压降模型的修正采用刘怀胜17的处理方法， 即 在传统填料塔干床压降公式的基础上进行修正， 干床压降和湿床压降的平均偏差分别为 4.02%，3.20%。 郑冲等人18分析了 keyvani 模型的不足，keyvani 模型不能够解释压降随着液体流 量的增加而减小，压降模型中考察的因素不足，不能够反映整个超重机的压降。因此， 郑冲等人结合了 keyvani 和 kumar 在计算压降气相压降和液相压降的方法，即对于整 个旋转填料床的压降采用 kumar 分段计算的方法，但是在计算的思路却不相同。郑冲 等人是将按照气体流过旋转填料床的路径分段的，而 kumar 是按照气体在流经旋转填 料床的过程中的受力种类分类。 郑冲等人在计算每一段路径过程中采用通过求解加入修 正外力的 navier-stokes 方程，建立了一维半经验压降方程。通过对比实验值与模拟值 后发现，所建立的模型的模拟值与实验值的偏差在 5%以内，具有很好的精度，能够很 好的解释压降随着液体流量的增加而减小这个实验现象。 严佐毅等人19也采用类似的带外场力的 navier-stokes 方程分析了三角锥形填料旋 转填料床内气相通过床层的压降，并且建立了带有模型参数的压降方程，模拟值与实验 值的偏差在 10%以内。 这类压降模型的特点就是模型方程过于复杂， 由于和设备的尺寸 结构关系太紧密，往往不能够应用到其他的设备中，模型通用性差。 王广全20、焦纬洲等人21在对错流旋转折流床、错流旋转床的气相压降进行研究 时，采用了不同于 kumar、郑冲等人的半经验处理方式。他们采用了经验关联式的方法 对各自的旋转床进行了气相压降实验研究，模拟值和实验值的偏差分别为 20%、10%。 这种方法虽然对特定体系以及填料得到的关联式拟合效果良好， 但是如果要想应用到其 他的旋转填料床上必须对不同尺寸、 不同填料的旋转床在较宽泛的操作条件下进行压降 实验，这样拟合出来的压降关联式使用范围更广，更具有通用性。 除此之外， m. lashkarbolooki 等人22使用人工神经网络方法对 singh23, sandilya24, 郑冲等人18设计的旋转填料床的气相压降进行预测，平均相对偏差分别为 3.38%， 9.69%，3.76%，采用人工神经网络方法预测旋转填料床内的压降预测性较好，是一种 中北大学学位论文 5 新型的方法。 1.2.2 液泛模型研究进展 液泛是塔设备中流体力学的重要参数， 在传统塔设备的设计中液泛是必须考察的因 素。 液泛不仅会导致塔内气液传质效率下降， 严重情况则会导致淹塔现象的发生。 因此， 在旋转填料床的设计和操作过程中必须考察液泛气速和液泛液量， 以保证旋转填料床在 良好的操作条件下运行。short25首先对旋转填料床的液泛规律作了定性分析，认为超 重力场中的离心加速度远大于重力加速度，因此在相同气量、液量条件下，超重力场中 的液泛气速远高于重力场中的液泛气速。王玉红26将 w.a.bain 和 o.a.hougen 提出重 力场中的 sherwood 型液泛关联式应用于超重力旋转床的液泛预测，将式中的重力加速 度由离心加速度替代， 实验结果和液泛关联式表明旋转填料床液泛点要比传统塔设备的 液泛点高 40%。 2 0.20.250.125 3 lg()0.1202 1.75()() f vvl l clvl u a w aw (1.11) munjal27认为采用 sherwood 类型关联式来计算超重力场中载点和泛点，会比实际 值低 40%，40-70%。因此采用 sherwood 关联式进行修正计算超重力的泛点气速并不准 确，必须寻找更为可靠的关联式。lockett28在重力场 wallis 关联式的基础上，用超重 力场下的液泛实验数据修正了相关参数得到了另外一种液泛关联式。 0.00058 0.50.50.250.250.03 0.781.57 p a glpg cecan (1.12) 林佳璋等人6以甲醇-乙醇为体系进行超重力精馏实验中发现， 传质效率随旋转床转 速的减小而急剧下降，认为是由于转速减小导致液泛发生而使传质效率下降。由于液泛 会导致传质效率的极大下降， 并且关于旋转填料床内的液泛特性研究很少， 因此陈海辉、 谢爱勇、rajan 等研究者对旋转填料床内液泛特性进行了进一步的研究。 陈海辉等人29以空气-水为体系，在同心圆环波纹碟片填料逆流旋转床中进行液泛 实验研究，由图 1.1 可知旋转床的液泛液量随转速增加而变小，随着操作气速的增加， 液量也相应的减小。正常操作范围随着气量增加而减小。 中北大学学位论文 6 图 1.1 液泛点的气液流量及转速 谢爱勇等30根据 wallis 液泛关联式，并结合单排孔结构和多排孔结构旋转折流床 的液泛实验数据，回归出了适用于折流式超重力旋转床半经验半理论液泛关联式。 单排孔结构的折流式旋转床液泛关联式 0.2 0.2372 0.5 0.5 1.536 1 0.0376()() g gg c l v (1.13) 多排孔结构的折流式旋转床液泛关联式 0.2 0.2058 0.5 0.5 1.225 1 0.031()() g gg c l v (1.14) 根据式(1.11)和式(1.12)，就可以得到单排孔结构的折流式旋转床和多排孔结构的折 流式旋转床的液泛关联图，如图 1.2 所示。 图1.2 液泛关联图 由图1.2可知，随着气液流动参数(l/v)(g/l)0.5的增加，气相液泛能力因子cg稍微 中北大学学位论文 7 减小；随着转速增加，气相液泛能力因子cg逐渐减小，转速每增加100 r/min，cg 平均 减少0.007 m/s，多排孔液泛能力因子平均比单排孔高8.5%。 rajan等人31以lockett关联式为基础，回归出了分层填料旋转床的液泛关联式，液 泛点的实验值与模拟值的偏差在15%以内，模拟值与实验值的吻合很好。 0.50.50.43390.9343 1.5063130 glgp ccna (1.15) 1.2.3 持液量模型研究进展 持液量作为旋转填料床流体力学性能的一个重要参数， 持液量的大小影响着床层的 压降。而且持液量的大小对于旋转填料床内反应速率的计算至关重要，因此 basic、 burns、林佳璋等人对旋转填料床的持液量进行了研究。 basic 等32在旋转床中接上电极，通过测定不同点在不同转速的电势变化来确定填 料中的持液量的变化，由此得到了旋转填料床中持液量的计算公式。实验结果表明，旋 转填料床的持液量随着转速的增加逐渐减小，气量对持液量的影响并不显著。 2 2 31 3230.5 1.339() m l e v brefr ga (1.16) 其中，b=0.171，m=0.875,=0.423，为总持液量与床层孔隙率之比 23 2 p l rd ga 4 l p v re rha 223 () 4 l p p v frrd rha burns33在随后的研究过程中，根据示踪剂相应时间测量了每秒旋转填料床内持液 量的状况，相比于 basic 方法而言更准确。 burns34 等在研究旋转填料床的持液量的 过程中发现，basic 在测量旋转填料床电势的时候并没有使用示踪剂技术。因此采用电 导结合示踪剂技术研究了液流速度、 气流速度、 液体粘度、 离心加速度对持液量的影响， 在 munjal 和 basic 提出的持液量模型基础上提出了计算持液量的简单关联式。 0.50.60.22 000 0.039()()() c l au au (1.17) 实验结果表明，持液量大小于填料直径成反比，持液量在气量没达到液泛点时与气 量基本无关，液体粘度对持液量的影响很小。 中北大学学位论文 8 林佳璋等人35认为 basic 和 dudukovic 在建立旋转填料床中持液量模型时采用的膜 流模型并不能够真实的反映旋转填料床中的流动状态，因此 basic 等人的模型的模型预 测能力相对较差。 林佳璋等人假定旋转填料床可以等价成若干层旋转盘， 在 munjal36-37 对旋转盘上液膜厚度分析的基础上，建立了旋转填料床内压降与液体持液量的关联式。 关联式的模拟值与实验值的偏差在 20%以内，显示了较好的预测性。 0.5450.420.65 3.86() tp lld a d hrega (1.18) 3 2 () pllc oi l p da rr ga (1.19) 但是林佳璋等人建立的模型对持液量预测的好坏， 在很大程度上取决于通过旋转填 料床压降模型的选择。因此相对而言 burn 等人建立的模型相对简单，需要的参数容易 获得，模拟准确度良好，具有很大的应用价值。 1.2.4 传质模型研究进展 传质系数作为衡量超重力强化传质过程的一个标准，从目前的研究进展来看，传质 系数模型主要有两种：一种是 tung mah、munjal、张军等人通过传质机理模拟建立起 超重力场下的传质关联式；另外一种是通过因次分析法建立起的经验关联式。 tung 和 mah38以溶质渗透理论为基础建立了传统填料塔下的传质模型，然后假定 旋转填料床内液体的传质特性也符合这样的规律，用离心加速度取代重力加速度，最后 得到了旋转填料床内传质过的模型。 321 3 1 21 31 31 6 3 2() () p llc e a k dda sc re da (1.20) 模型中有效相界面积采用 onda 相界比表面积关联式进行计算 0.750.10.050.2 1 exp1.45() ec p a re frwe a (1.21) tung 将模拟值与 ramshaw 教授文献中报道的实验数据进行比较，模拟效果良好， 并且得出了溶质渗透模型适合超重力场的结论。但是 tung 在推导模型方程时，没有考 中北大学学位论文 9 虑到由于超重力场下相界面积与重力场的区别，忽略了填料形状、比表面积、孔隙率等 等各方面对传质系数的影响。并且只是验证了 ramshaw 的实验数据，并没有广泛的验 证其他的实验数据，模型的适用性相对较小。 munjal36-37在建立旋转填料床内传质模型时做了一些假定， 他将旋转填料床内的填 料等价成若干的旋转圆盘和旋转叶片。根据 davidson 重力场中填料塔内的统计模型建 立了旋转圆盘上的传质关联式，进而推导得到了旋转填料床内的传质关联式。 1 22 31 6 2.6() w lavg q kscregr x (1.22) 其中 23 1 2 () avg avg l rrr gr 2 l a v g rr r 2 el l re a 2 w el l q a sc d munjal 等人建立的模型虽然能够很好的和实验结果相吻合，但是 munjal 等人在推 导旋转填料床内的传质关联式时所建立的模型假设与超重力场中液体的实际流动状况 并不是非常符合，而且没有考虑到填料空间内液滴的传质作用。因此竺洁松、张军、许 明等人针对 tung、munjal 等人在建立传质模型的过程中存在的问题提出了新的传质机 理模型。 竺洁松39将旋转填料床内的丝网填料层化简成若干个同心圆， 同心圆之间等距相互 不接触。将填料金属丝等价成 munjal 在模型建立中所提的旋转盘和旋转叶片，根据 munjal 的传质关联式结合高桥照男提出的液滴经验公式，建立了旋转填料床内的传质 关联式。竺洁松的传质模型并没有摆脱 munjal 的模型假定，与 munjal 模型相比，竺洁 松考虑到了填料空间的传质作用，算是一种进步。但是竺洁松在建立物理模型中采用了 munjal 的模型假定，这个假定与旋转填料床实际的填料结构相差较大。 张军40在建立旋转填料床内的物理模型时， 假定填料层是由若干层沿着径向的同心 圆以及若干层沿轴向的同心圆组成的网状空间。通过联立求解 navier-stokes 方程、连 续性方程、对流扩散方程获得了流过单根填料丝的液体的速度分布、浓度分布。进而获 得了整个旋转填料床空间的速度分布、浓度分布情况。模型计算值与实验值吻合良好， 随着液体流量增加，旋转填料床的总传质系数增加。 中北大学学位论文 10 相比于竺洁松的模型而言，张军采用联立求解 navier-stokes 方程、连续性方程、 对流扩散方程而获得旋转填料床的传质系数的方法以及相关的物理模型假定都要好一 些。 但是张军建立的模型只适合液膜控制的过程， 而且没有考虑到气液之间的传质过程。 张军建立的模型方程只能够模拟单独的液相在不同填料位置处的浓度分布、 传质系数分 布等。对于需要气液之间传质的吸收过程、精馏过程、萃取过程而言，张军的单相流模 型方程无法解决，必须建立气液两相的多相流方程联立求解气液两相的 navier-stokes 方程、连续性方程、对流扩散方程通过气液相平衡关系联立相界面处气相浓度和液相浓 度的关系， 从而完成对整个旋转填料床内气液传质过的计算。 许明41在张军的基础上进 一步地建立了气液两相流的方程， 但是他所建立的气液两相流场是单独的气相流场和液 相流场。并没有考虑到气液两相流场之间的质量传递和热量传递特性，因此他所建立的 模型方程也不能够很好的应用到超重力场中吸收、精馏过程的计算。 正是由于通过机理模型建立旋转填料床内传质模型存在上述的问题，刘怀胜、林佳 璋、陈昱邵、reddy、rajan 等研究者通过因次分析法建立起了在某种操作条件范围内 适用的传质经验关联式。使用这种方法建立传质关联式，不需要对旋转填料床内的传质 过程机理有深入的了解。只需要确定影响旋转填料床的相关因素，通过因次分析法将这 些因素组合成若干个无因次准数，再由实验结果回归出相关准数的模型参数。因此，很 多研究者都通过因次分析法建立旋转填料床内传质经验关联式。 刘怀胜17通过空气气提水中乙醇实验，在 13-273 个重力加速度的条件下，将气量、 气体密度、气体粘度、液量、液体密度、液体粘度、填料比表面积、填料当量直径、离 心加速度 9 个参数通过无因次分析法变成了 rega、rela、gr 三个准数，通过实验数据 回归得到下面的方程。经验方程的预测值与实验值的偏差在 30%以内，虽然偏差较大， 但是刘怀胜这种通过无因次分析法建立旋转填料床内传质关联式的方法引起了众多研 究者的重视。 31.1630.6310.25 2 3.111 10 g galag gt k art reregr d a (1.23) 林佳璋42对叶片填料的传质性能进行了研究， 由氧从水解析实验确定了液相传质系 数， 由异丙醇吸收实验测定了汽相传质系数。 并且回归得到了液相和气相的传质关联式。 中北大学学位论文 11 0.9060.275 0.478 lp lal lt k ad regr d a (1.24) 0.6790.2450.140 0.027 gp galag gt k ad reregr d a (1.25) 与实验结果进行对比后发现， 液相传质关联式和气相传质关联式的平均偏差为 10% 以内，模拟结果与实验结果吻合良好。虽然林佳璋建立了气相和液相的传质关联式能够 满足精馏、吸收等传质过的计算需求，但是林佳璋在建立传质关联式的过程中只是在一 种桨叶填料的基础上回归出了气相和液相的传质关联式。 对于其他设备而言， 填料不同、 体系不同，因此林佳璋建立的关联式通用性有待考察。 reddy43分别通过氢氧化钠吸收二氧化硫、水脱氧实验测定了气相传质关联式、液 相传质关联式。测定了相界比表面积为 1700m2/m3、2500m2/m3两种填料的分层填料旋 转床在同转、逆转时的传质系数，并且得到了液相和气相的传质关联式。 分层填料同转时液相和气相传质关联式 0.5690.1400.5 0.152() pl lelll p a d k aregrsc d (1.26) 0.8520.1940.333 0.00762() pg geggg p a d k aregrsc d (1.27) 分层填料逆转时液相和气相传质关联式 0.480.1280.5 0.152() pl lelll p a d k aregrsc d (1.28) 0.9760.1320.333 0.00762() pg geggg p a d k aregrsc d (1.29) reddy 建立的液相和气相传质关联式的偏差均为 20%以内， 模拟值与实验值的吻合 良好。reddy 传质关联式相比于林佳璋的关联式而言，使用范围更广。不仅可以用于传 统旋转填料床中液相和气相传质系数的计算， 还可以用于分层填料旋转床中液相和气相 传质系数的计算。 由于对两种填料的实验数据进行了关联式， 因此 reddy 模型的通用性 要更好一些。 陈昱邵44-45在刘怀胜17、ramshaw46、陈昱邵47、江佳颖48气相传质实验数据的 中北大学学位论文 12 基础上建立了气相传质关联式；在系统的研究了填料的尺寸、大小、形状、比表面积的 基础上建立的液相传质关联式。通过与文献数据进行对比后发现，陈昱邵的液相传质关 联式的偏差为 30%、气相传质关联式的偏差为 30%。从模型的适用性来看，陈昱邵的 传质关联式的适用性是最广的，但是从模型的预测性来看，陈昱邵的模型精度又是最差 的。 0.50.170.30.30.50.14 (1 0.931.13)0.35()() lp oitc llll ltttpw k ad vva scregr we d avva (1.30) 1.130.140.310.071.4 2 (1 0.9)0.023() got glgl gttp k ava reregrwe d ava (1.31) 因此，如果要更加准确地描述超重力场中的气相和液相的传质过程，最简单的方法 就是采用陈昱邵在建立关联式时所采用的方法。 即对文献中报道的现有的所有气膜控制 和液膜控制的实验数据进行汇总分析，关联出一个适用性广，精度可靠的传质关联式。 1.2.5 相界面积模型研究进展 相界面积作为计算体积传质系数的一个重要参数，一直是人们研究的重点。由于旋 转填料床内填料的高速旋转使得气液传质的相界面积不仅限于填料比表面积还有离散 成液滴的比表面积，从而使得超重力场中的相界面积要比重力场要大很多。这个假设已 经在陈海辉、焦纬洲、rajan、罗勇等人的实验结果中得到了验证。关于超重力场中相 界面积的研究大多通过 naoh 吸收 co2反应来测定旋转填料床的相界面积，但是大多 都是仅仅简单的和传统填料塔的相界面积进行了对比。只有焦纬洲、rajan 和罗勇等人 通过化学吸收法测定了相界面积的实验值， 采用准数关联式的形式得到了超重力场中相 界面积的关联式。 焦纬洲等人49考察了超重力因子、液量、气量、填料结构等因素对两种多孔波纹板 填料错流旋转床相界面积的影响规律。实验结果表明，错流旋转床的相界面积是传统塔 设备的 2.66 倍。根据实验数据回归得到了两种多孔波纹板的相界面积关联式，模拟值 与实验值的偏差在 5%以内。 不锈钢多孔波纹板填料 0.01630.24660.1466 129.66 egl arewega (1.31) 中北大学学位论文 13 聚丙烯多孔板填料 0.15890.31250.1415 46.446 egl arewega (1.32) 与陈海辉等人50对旋转填料床内相界面积的研究相比， 焦纬洲等人对旋转填料床内 相界面积的认识更进了一步，回归了两种多孔波纹板填料的相界面积关联式。由于多孔 波纹板填料用的领域相比于波