（化学工程专业论文）dap尾气减量与map料浆加工过程耦合研究.pdf

摘要 d a p 尾气减量与m a p 料浆加工过程耦合研究 专监伍学工程 研究垒枉辩明指导教师朱家骅教授 本文分撰了弓l 进h y d r o 技术6 0 万吨陴磷酸二铵( d a p ) 装鬟尾气撼赦产生 “磷铵雨”污染的热力学机理，指出个重溪的原因是高湿含量尾气极易发难 是部过途葶嚣瑟产象凝雾。遵疆源头治疆窝藏餐纯懿清洁王艺嚣剿，提窭了d a p 湿线尾气脱湿与m a p 料浆加工相耦合的过程，使湿线尾气消减质量能量与磷 酸一铵( m a p ) 籽浆粕工过程同步，所获得的稚量同时用予m a p 辩浆加工过稷， 既减少了污染物排放，又节约了m a p 的能爨消耗。由此可以获褥双鬟的环壤 效益和经济效益。 本文计算表明，为了使烟濑爿 款躯d a p 滢台怒气远凌缝帮敷热力学条臀， 湿线尾气的湿含墩应当减少至o 0 6 5k gh 2 0 ( k ga i r ) 。以下。由此提出了包括 磷酸颈浓缭一级脱湿帮懿蒸发二级驻淹两个藕台_ i 篷程在斑的d a p 尾气减量与 m a p 料浆加工清洁工艺。计算进一步指出，氨蒸发二级脱湿耦台过穰充分利 用了介质的低温特性，可以获得较大的过程推动力和较高的设备生产强度。但 是主要的脱湿任务( 9 0 以上) 分配在磷酸预浓缠一级脱滠过程。受鼹气湿发 ( 8 0 c 左右) 和蒸汽分压低的限制，而通常的磷酸蒸发浓缩设备对传热搬动力要 求又毫，爨以开发适合予d a p 漫线溪气脱滠一稀磷酸黧浓缩逡程与设备，怒 实现上述清洁生产工艺的关键。 为此本文针对性豹邈行了管内磷簸降膜蒸发研究。对管内滋流磷酸降膜流 动进行详细的数馕分孝斥，在此基础上进行了传热与传质计算。并用膜厚因予 西川大学硕士学位论文 k 袭征降膜流动与满管层流流动的豢剐，推导了稳定层流降膜酌传热传质表达 式，得到了实验数据的验证。 本文避行了d a p 湿线尾气脱湿一磷酸降膜蒸发的现场，获得了长周期逡行 条馋下的实验数据。玟场实验结果迸明了数1 塞模熬结果鹣可靠健。实验表骥鬃 合过程的总传热系数可维持在5 0 0 6 0 0 w m 。2 k ，达到了传统磷酸浓缩生 蒸汽麓燕豹石萋换热器的7 5 ，嚣磷酸循环量只霈萁1 3 0 不到。实验获褥了 t 2 0 5 浓度2 7 小u 4 1 7 范围的磷酸降膜蒸发浓缩数据，揭示了在5 5o c 低温下浓 缩温法磷酸的可行性。实验还发现了磷酸降膜蒸发浓缩过程中的过冷沸腾现 象。并考察了磷酸浓继过程中过冷度对传热传质的影响。 本文研究工作为d a p 湿线尾气脱湿与m a p 料浆加正相耦含的清洁工艺提 供了理论分毒厅秘数篷表这熬蒸磷，势墨褥裂了实验验迁。瑟获撂豹瑗场实验结 果为进一步的工业性试验装鬣设计掇供了黧要的凝础数据。 关键词：d a p 尾气减量清洁工艺过程集成数值模拟现场实验 摘嚣 p r o c e s si n t e g r a t i o ns t u d yo fd i a m m o n i u mp h o s p h a t e t a i lg a sd e h u m i d i f i c a t i o nc o m b i n i n gw i t h m o n o a m m o n i u m p h o s p h a t ep r o d u c t i o n m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：d uh u a i m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h uj i a h u a t h em e c h a n i s mo ft h e r m o d y n a m i c sp r o c e s so fp - n h 3p o l l u t e dd r o p l e t s f o r m a t i o nd u r i n gt h ee x h a u s tg a sd i s c h a r g ef r o ma6 0 0k t a - 1d i a m m o n i u m p h o s p h a t e ( d a p ) p r o d u c t i o nl i n ew a sa n a l y z e d 。o n eo f i t sk e yf a c t o r sw a st h eh i 醢 h u m i d i t yo ft a i lg a s ，w h i c hc a u s e d c o n d e n s a t i o nd u et ol o c a ls u p e r - s a t u r a t i o n b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fc l e a np r o c e s s e s ，s o l v i n gq u e s t i o nf r o mi t sr e a s o na n d r e d u c i n gm i s s i o n ，a r e c i r c u l a t i o n t e c h n i q u e ，c o u p l e d t h ed a pt a i l g a s d e h u m i d i f i c a t i o nw i t ht h ep r o c e s so fm a pp r o d u c t i o n , w a sp r o p o s e d t h ew e t s e c t i o nt a l lg a sd e h u m i d i f i c a t i o nw a se m p l o y e di nt h er a wp r o c e s s i n go fm a ea t t h es a n l et i m e ，t h ee n e r g yg a i n e df r o mt h ec o n d e n s a t i o no fw e ts e c t i o nt a i lg a sw a s u s e d 把r a wp r o c e s so fm a rh e n c e ，i tc a nn o to n l yr e d u c ep o l l u t i o nb u ta l s os a v e e n e r g yc o n s u m p t i o no fm a p t h i st e c h n i q u eb e n e f i t sb o t he n v i r o n m e n ta n d e c o n o m y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tw a t e rc o n t e n ti nt h et a i lg a sm u s tb el e s s t h a nf o 0 6 5k gh 2 0 ) ( k ga i r ) s ot h a tt h ed i s c h a r g e dd a pt a i lg a sf a rb e l o wt h e t h e r m a ls a t u r a t i o n ( i e 。，n oc o n d e n s a t i o n ) 。t h ec l e a np r o c e s sw a sp r o p o s e d i n c l u d i n gp h o s p h o r i ca c i dp r e e v a p o r a t i o nw i t ht a i lg a sp a r t i a lc o n d e n s a t i o na n d - 3 “ 疆翊夫学硕士学位论文 a m m o m ae v a p o r a t i o nc o m b i n e dw i t ht a i lg a sf u r t h e rc o n d e n s a t i o n u t i l i z i n gl o w t e m p e r a t u r ec h a r a c t e ro fa m m o n i ae v a p o r a t i o nd u r i n gt h et a i lg a s s e c o n df u r t h e r c o n d e n s a t i o nc a r lg a i ng r e a tt h e r m a ld e g r e ed i f f e r e n c ea n dh e n c eh i 馥e q u i p m e n t p r o d u c e c a p a b i l i t y t h em a i nw a t e r ( o v e r9 0 ) w a s ，h o w e v e r ，d e h u m i d i f i e dd u r i n g t h ep h o s p h o r i ca c i dp r e e v a p o r a t i o na n d p a r t i a lc o n d e n s a t i o no f t a i lg a s o nt h eo n e h a n d ，t h et a i lg a sh a sr e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r e ( 8 0 。c ) a n ds m a l ls t e a mp r e s s u r e c o m p a r e d w i t h s t e a m ，r e s p e c t i v e l y o nt h eo t h e r h a n d ，p h o s p h o r i c a c i d c o n c e n t r a t i o ne q u i p m e n t sn e e dh i g ht h e r m a ld e g r e ed i f f e r e n c e t h e r e f o r e ，t h em a i n p l o to ft h ec l e a n e rp r o c e s si s t od e v e l o pe q u i p m e n t ，w h i c hf i tt a i l g a sp a r t i a l c o n d e n s a t i o na n d 砖o s p h o r i ca c i dc o n c e n t r a t i o n i nt h et h e s i sap i l o te x p e r i m e n to fp h o s p h o r i ca c i df a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n w a sc o n d u c t e d f i r s t l y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp h o s p h o r i ca c i dl a m i n a rf i l mf l o w i nt h ep i p ew a sm a d e + t h e ni t sh e a t - a n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a se 越c 啦a 圭e d ， t h ep a r a m e t e rk ，f i l mt h i c k n e s sf a c t o r , w a su s e dt oc o r r e l a t et h ed i f f e r e n c eb e t w e e n f a l l i n gf i l mf l o wa n df u l lp i p ef l o w f i n a l l y , t h eh e a t a n dm a s st r a n s f c rc o r r e l a t i o n s f o rl a m i n a rf i l mf l o ww g i 它d e d u c e d t h e yf i tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l l t h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n to fd a pt a i lg a sp a r t i a lc o n d e n s a t i o nc o m b i n ew i t h p h o s p h o r i ca c i df a l l i n gf i l mf l o we v a p o r a t i o nw a sc a r r i e do u t a l ld a t aw e r e c o l l e c t e du n d e rl o n g t e r mw o r kc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h ec r e d i b i t i t yo f t h ea b o v e - m e n t i o n e dn u m e r i c a la p p r o a c h 。t h ee x p e r i m e n ts h o w e d t h a tt h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ec o m b i n e dp r o c e s sc a l lk e e p5 0 0 - 6 0 0 w m 一2 k ，w h i c hi s7 5 o f t h a to f t r a d i t i o n a lh e a te x c h a n g e r , w h i l et h ea m o u n t o fr e c y c l i n gp h o s p h o r i ca c i di sl e s st h a n1 3 0o ft h a to ft r a d i t i o n a lh e a te x c h a n g e n w eo b t a i n e dt h ed a t ao ff a l l i n gf i l me v a p o r a t i o no fp h o s p h o r i ca c i d sw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n si nt h er a n g eo f2 7 1 a n d4 1 7 t h ef e a s i b i l i t yo fc o n c e n _ c r a t i n g p h o s p h o r i ca c i da tt o wt e m p e r a t u r eo f5 5 w a si n v e s t i g a t e d 。w ea l s of o u n dt h e p h e n o m e n o no fs u b c o o l e db o i l i n ga n ds t u d i e dt h ee f f e c to ft h es u b c o o l i n go nh e a t a n dm a s st r a n s f e rd u r i n gp h o s p h o r i ca c i dc o n c e n t r a t i o n t h es t u d yo ft h i st h e s i sp r e s e n t e dt h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a le x p r e s s i o no f 一4 - 攘要 t h ec l e a n i n gt e c h n i q u eo fd a pw e ts e c t i o nt a i lg a sp a r t i a lc o n d e n s a t i o nc o m b i n e w i 氇m a pp r o c e s s ，w h i c hw e r ep r o v e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ed a t ag a i n e d f r o mi n d u s t r i a le x p e r i m e n ts u p p l yt h eb a s i sf o rf u r t h e ri n d u s t r i a le q u i p m e n td e s i g n k e y w o r d s ：d i a m m o n i u mp h o s p h a t e ( d a p ) t a i lg a sd e h u m i d i f i c a t i o n ， c l e a nt e c h n i q u e ，p r o c e s si n t e g r a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p 矗o te x p e r i m e n t ，5 - 日舌 1 前言 高浓度的化学复合肥料磷酸二铵( d a p ) ；f 1 1 磷酸一铵( m a p ) 都是我国农业大 规模使用的生产资料，年消耗量近千万吨，而随着我国农业的进一步发展，其 市场需求仍呈上升趋势，而这又必将极大的刺激我国d a p 和m a p 工业的发展， 目前全国有1 0 0 多个生产厂家遍布全国各地【1 1 。 d a p 和m a p 属典型重化工产品，吨产品耗磷矿石达1 6 2 2 吨，硫酸 1 3 5 1 8 吨，合成氨0 1 2 o 2 1 吨，能耗f 从湿法磷酸出发) 5 1 6 2 1 0 3 m j 。 每吨产品产生固体废弃物也很大，磷石膏2 2 5 吨，大气排放物4 0 0 0 6 0 0 0 n m 3 。其生产规模之大、分布之广、资源消耗之巨、环境压力之重，使d a p 和m a p 行业成为我国清洁生产领域尤为关注的行业之一【2 】。 根据绿色化学原理和循环经济原则，规划和发展我国磷资源化工、开发清 洁磷化工生产技术已纳入我国中长期科技发展规划 3 1 。而当前急待解决的问题 是提高现有装置( 全国已形成1 0 0 0 多万吨年产能，包括1 9 9 0 s 年代以来巨资引 进的一批大型装置、的清洁生产水平和生产能力。事实上其中为数不少的亏损 企业盼望通过清洁工艺改造实现扭亏为盈，使企业走上良性循环的道路。因此 当前磷化工清洁生产技术开发必须遵循与传统技术相比有突出的技术经济优 势的原则。这也正是清洁生产技术的生命力。 n o r s kh y d r o 流程( 图1 - 1 ) 是预中和一转鼓氨化造粒d a p2 1 2 艺的典型代表。 以浓缩湿法磷酸( p 2 0 5 含量4 4 5 4 ) 和氨为原料生产d a p 的化学反应式为 h 3 p 0 4 + 2n h 3 2 ( n h 4 ) 2 h p 0 4 可见为简单的中和反应。但在9 0 1 2 0 。c 的温度范围内，当n p 摩尔比超过 1 4 以后，受n h 3 一h 3 p 0 4 一h a o 三元体系相平衡关系约束，气相逸出的氨分压迅 速上升超过1 5k p a ，局部可达6 5k p a 4 1 5 1 。因此反应尾气必须经酸洗、水洗二 级净化，最后进入烟囱的状况为氨含量低于8 0m g n m 3 、温度8 8 、绝对湿含 量0 6 0 4k g ( h 2 0 ) k g ( a i r ) ，此股尾气称为湿线尾气( 见图1 1 ，w e ts e c t i o n ) 。 同时排入烟囱的还有干燥、破碎、筛分、冷却和颗粒表面涂裹等一系列物理加 工过程产生的大量尾气，污染物质主要是磷铵粉尘，控制指标为低于8 0 m g n m 3 ，此股尾气称为干线尾气( 见图1 一l ，d r ys e c t i o n ) 。 霆翊大学磺士学位论文 f i g ，1 - 1s k e t c ho f n o r s kh y d r o6 0 0 k t ad a pp r o d u c t i o nl i n e w e ts e c t i o n ：l ，2 - r e a c t o r s ；3 - g r a n u l a t o r ；4 ，5 ，6 - a m m o n i as c r u b b e r ；7 - t a i lg a s s c r u b b e r ；8 ，9 - t a n k d ds 蝴i o n ：1 0 - d r y e r ；1 1 ，1 2 - c m s h c r 甑d r e e n ；1 3 ，1 4 - p a r t i c l ec o a t i n g ；1 5 - f l u i d i z e db e d 图1 - 1 n o r s k h y d r o 筇产6 0 万盹d a p 流程 湿线：l ，冬芨瘟嚣；3 遗粒祝：4 ，5 ，6 - 娄e 洗涤器；7 - 怒气洗涤塔；8 ，9 。键璜。 干线：】o 一干燥瓣；n ，1 2 - r e x e s ；1 3 ，1 4 一产晶包裹：1 5 流纯床 两类性鲠不同的尾气程烟囱内混合后从l o o m 麴商空良大气撼放。表1 - 1 楚d a p 生产线露气掩蔽凝的设计捂稀，就污染耱藤盼量面畜满楚我莺大气 污染物综合排放标准g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) ) 。但装置投产聪在烟囱周边西余米半径区 域内晴天也会下“磷铵雨”，含有磷( p ) 与氨h 3 ) 的水滴不断从空中落向地面， 严重污染厂嚣餮境。工厂尝试了在尾气逶濯瘗之蕊港鸯嚣气滚分离没冬戆疆藏， 但收效甚徽。国外d a p 生产装置也存在类似现象，所采取的改避措施主要是 加强尾气的洗涤以减少粉尘和化学物顾的含量【6 】i7 1 。但这些末端治理的方法不 仅使生产成本增加，露羹难予达到提滚豹蠢熬。 本文黻巢厂引迸的n o r s kh y d r o 鞭中和一转鼓氨仡造粒工慧年产6 0 万吨 d a p 生产裟霞的大气排放物为例，在热力学分析的旗础上提出d a p 尾气循环 联产m a p 的二 艺过程，辨着重对含大爨不凝气的燕汽冷凝以及低温降膜蒸发 t4*dmn臣 月u吾 浓缩磷酸黪关键控术遴行硬究i s 。 t a b l e1 - td a t ao f t a i lg a s e se x h a u s t i n gf r o md a p p r o d u c t i o nl i n e ( c a p a c i t y8 4 0 0 0k g - h - 1 、i ” 表1 1d a p 生产线怒气排放量( 生产能力8 4 吨每小时) t o t a l 甘。t o t a l c o m p o n e n t s k 建h “ 8 8 m ，k g a t e r 督i a l ，忑篇鬈船h ：o ( v a p ) n i l 。p 2 0 s h z s 0 4 。t h e r s g a s e s e x - f r o mw e t7 5 4 5 28 8 s e c t g a s e s e x f r o m d r y3 1 0 2 9 0 5 8 s e c t 甲3 8 5 7 4 27 2 f r o m s t a c k 7 5 3 7 34 7 0 0 02 8 4 4 56 4 4 4 8 42 9 4 5 4 81 5 7 2 3 1 1 9 8 5 73 4 1 5 4 84 4 1 6 81 4 6 l3 n o t e ：t o t a lp r e s s u r es l i g h t l yh i g h e rt h a na t m o s p h e r i c 8 - 文献综述与研究内容 2 文献综述与研究内容 2 1 降膜蒸发的研究进展 降膜蒸发具有操作稳定、传热效率高、热损失小、传热温差损失小、无静 压头弓 超鲍沸点舞藏及甥聿喜傍爨瓣闻短等显装特点，尤冀邀翅子热敏毽豹辩螅 蒸发。在纯工、轻工、纯纤、食晶热工、海水淡化、医药、污永处理及原子能 等工业部门得到了广泛的应用p ，l 址”j 。 对液膜稳定性和降膜最小流最，许多研究者已作了详细研究 1 2 , 1 3 , 1 4 。对降 袋蒸发传热数瑾论礤究始予d u l d e r 。穗薅溃黪流貔透赛层壤论焉予降貘蒸发滚 流中，通过确定涡流扩散系数求解降膜动量茅碍能量方程，此后的理论磷究主要 是对邀一方法的修藏和完善。程降膜蒸发器的设计、工艺流程的改善、设备的 评价中部要进行蒸发传热计算，在传热计算巾，主要是计算其液膜厚度和液膜 铡戆佟熬系数。羧溅液簇翻的赞熬往链，一藏蔻洚簇蒸发器设计吾署究鹣个重 要课题，众多研究翁为此进行了大量的研究工作，但是由于气液界面存在的波 动引超的垂直降膜蒸发传热的复杂性，这问题至今还未得到很好的解决f 1 5 】。 2 1 1 纯工质的降麟蒸发 给热系数关联式 对降膜蒸发的传热性能的实验研究，很多研究者做过这方面韵工佟，并得 到了不同的实验关联式。其中，比较有影响的是c h u n 和s e b a n 得出的关联式。 c h u n 酾s e b a n 对爨宣管外降膜的传热性能进行了详细的磺究，通过测濑热流 萋、麓滏、瓷彝蒸汽压确定绘熟系数，褥蜀豹关联式为： 波动层流：丘一o 8 2 1 r e 4 2 2( 2 1 ) 湍流流动：a = o 0 0 8 8 r e “4p r o 椰( 2 2 ) c h u n 和s e b a n 麴数攥是莲蓊最豢引爰豹数据，毽冀实骏工震惩黪爨缝求， 并且忽略了二次蒸汽对传热的影响f l 引。很多研究者在验证瑷论模拟的准确性时 也多以c h u n 和s e b a n 的数据为猴，在纯组分降膜蒸发器的设计计算时，也常 推荐使瘸c h u n 和s 曲a l l 的实验获联式。 四川大学硕士学位论文 对垂直管气液并流降膜蒸发前人也有许多研究，其中有影响的是s t r u v e 对 r 1 l 蒸发液膜的系统研究，发现所测的局部给热系数取决于流率、热流密度和 膜厚度。在过渡区，无量纲传热系数h 受环隙分布器宽度影响范围在1 3 1 5 c m ； 在充分发展区，h 也取决于长度l ，h 与工和负荷有关。在波动层流区将实验 数据关联为：h = o 7 1 r e “2 “，其比n u s s e l t 方程的结果高2 5 3 0 。在过渡区， 假定在距离分布器9 0 c m 后流动充分发展与月e 无关【m j ： ，、 h = o 1 2 + 0 0 6 7 o j ，( 0 2 l 9 0 0 6 7 ) ( 2 - 3 ) h = 0 0 4 5 + 0 - 1 8 ( o j ，( o 6 7 2 0 的区域选 用v o nk a r m a n 模型确定涡流传递系数，然后联立求解降膜动量方程和能量方 程，在不考虑界面波动的情况下计入二次蒸汽对流动与传热的影响，但是其理 论预测值在热通量较小、二次蒸汽流速不大时比实验值高4 6 。 此后，湍流下降膜蒸发传热的理论均在此基础上进一步完善和发展，其关 键是确定合适的涡流传递系数。 v a nd r i e s t 在1 9 5 6 年首先为圆管引进了占。v 方程，通过指数抑制函数： 1 一e x p ( 一y + a + ) 修正线性混合长度函数，使混合长度在壁面处为零，4 + 为经 验常数。但是应该指出，这一模型仅适用于近壁区，对自由表面的涡流情况不 给出任何信息。在湍流研究中，v a nd r i e s t 模型有着广泛应用。 c h u n 和s e b a n 在1 9 7 1 年发表了降膜蒸发数据后，许多研究者发现以前的 模型均过高估计了蒸发传热系数，便产生了通过考虑气液界面区涡流抑制来修 正液膜中的涡流黏度分布的想法。很多研究者做了这方面的研究。 m i l l s 和c h u n g 采用等膜厚模型，在近壁区选用v a nd r i e s t 模型，气液界 面区选用l a m o u r e l l e 和s a n d l e 从气体吸收实验中定义的涡流扩散系数，不考 虑气液相间的剪应力。该模型与c h u n 和s e b a n 的实验数据相当吻合，但该模 型还是有缺陷，那就是加热段的渐进传热系数太高，而且预计的热发展段要远 大于实验值。 o c s a n d a l l 等人在近壁区选用修正的v a nd r i e s t 模型，气液界面区选用 c h u n g 的气体吸收涡流扩散系数，不考虑二次蒸汽剪应力。该模型与c h u n 和 s e b a n 的实验数据吻合，平均偏差为8 3 。 文献综述与研究内容 i a m u d a w w a r 和m - a e l - m a s r i 在远壁区选用v a nd r i e s t 模型，液膜的主体 区域的涡流黏度分布选用u e d a 的实验测定结果，构造了统一的矗v 表达式， 该模型在湍流程度较小时，与实验结果吻合较好。但是当湍流程度较大时，理 论与实验偏差比较大，而且没有考虑二次蒸汽剪应力。 s e b a n 应用修正的v a nd r i e s t 模型表达近壁区，而用从气体吸收实验得到 的修正涡流传递系数表达气液界面区。将整个液膜分为三个区，但是这一模型 没有考虑气液界面剪应力，在p r = 5 7 时与实验数据差别较大 15 , 1 6 1 。 栾善东等【l8 】研究二次蒸汽对湍流下降膜传热性能的影响，对于 y + 6 + 0 6 ，采用y i h 等人修正的湍流模型，y + 6 + 0 6 ，采用他们自己利 用降膜传质结果推导得到的湍流模型。同时采用了y i h 等人修正得到的适于液 膜表面存在剪应力作用时的湍流普兰特数p n 。该模型较好的预测了实验结果。 在他们的模型中，通过与湍流液膜气体吸收传质扩散系数的比拟考虑自由 界面的阻抑，通过假定一个确定的湍流s c h m i d t 数，应用湍流降膜的气体吸收 传质关联式。这样，完整的涡流黏度分布又分别考虑近壁区和自由界面区的不 连续函数组成。 从以上的分析中可以看出，在连续下降液膜的理论模拟研究中，关键是确 定液膜近壁区、中间区和自由区的涡流黏度分布，对于近壁区应用修正的v a n d r i e s t 模型已经得到大部分研究者的肯定，但是对于中间区域和自由界面区的 涡流黏度分布的认识差异较大，没有明确的结论。 2 1 2 混合溶液的降膜蒸发 混合溶液的降膜蒸发的传热性能，不同于纯工质，更为复杂。一方面，不 同溶液与加热表面的润湿性不同；另一方面，随着溶液浓度的增加，溶液黏度 增大，同时其饱和蒸汽压也下降；另外，下降液膜中存在着传质过程。所有这 些因数都会影响蒸发的传热效果。 人们对混合溶液的降膜蒸发的传热特性进行研究，始于2 0 世纪8 0 年代。 g r o p p 和s c h l u n d e r 以r 1 1 r i3 混合溶液为工质对垂直管外降膜蒸发的传热特 性进行了研究。研究的结果表明，在表面蒸发情况下，传质阻力对传热系数的 四川大学硕士学位论文 影响可以忽略，由于传质造成传热系数的下降在工程应用中可以忽略，而在核 状沸腾情况下，传质阻力对传热系数的影响是不能忽略的。 c h e n 和p a l e n 在研究中进一步发现，传质阻力对传热系数的影响不仅取决 于传热机制( 表面蒸发或者核状沸腾) ，而且取决于混合溶液的的沸点范围( 泡点 和露点温度之差) 。p a l e n 等人以乙二醇水溶液为工质进行研究后发现，对宽沸 点范围混合溶液而言，传质阻力对传热系数的影响是非常严重的i l “。 齐和发和沈吟秋【2 0 】选用在工业上较有代表性的物料：甘油、葡萄糖和硫氰 化钠的水溶液，在不锈钢光滑管上进行了降膜蒸发实验。实验结果表明，不同 的工质具有不同的蒸发特性，不仅如此，混合溶液的浓度对传热特性也有明显 的影响。 目前，国内外对混合溶液的降膜蒸发的理论模拟研究很少有文献报道。 b r y a nc h o k e 和j o h nc t h e n 对二元混合溶液的降膜蒸发过程的传质过程进行 了模拟研究，联立动量方程、传质方程，通过数值方法解出了传质系数。 王永福等 9 1 人在b r y a nc h o k e 等人模型的基础上，加入能量方程，联立了 二元混合物在垂直管中降膜蒸发的传热传质耦合的数学模型，通过数值方法求 解该耦合的联立方程组，研究传质阻力对传热的影响，与c h u n 和s e b a n 的数 据相比，传热系数平均要低2 7 左右，可见忽略传质的影响对预测膜平均传热 系数会带来较大误差，传质阻力对传热的影响不可忽略。 2 2 含湿混合气体冷却冷凝的研究进展 对于纯蒸汽的冷凝人们已有较深入的理论分析和实验研究，而对工业上实 际应用的含湿混合气体的冷却冷凝研究则很有限，国内外目前在这方面的文献 报道还不多。 含湿混合气体冷却冷凝在工程上的应用主要有：化工上经常遇到的回收有 机蒸汽设备中的冷凝问题；管内冷凝器中少量泄露进去的不凝气体对性能的影 响；工业尾气的回收利用；天然气锅炉燃烧产物的热能回收等等。分析上述问 题现有的两个基本方法是：s i l v e r 的气相热阻法或附加一些修正与c o l b u m 和 h o u g e n 的膜理论并考虑传质的影响。这些方法虽然计算方便，但不能提供精 文献综述与研究内容 确的预测，有人评述了这两种方法作为部分冷凝器设计依据的各自优缺点。 鉴于含湿混合气体的冷凝在工程上有着非常重要的应用，继c o l b u m 和 h o u h e n 的开创性工作以后，其应用和研究一直受到重视。但是，由于含湿混 合气体的冷凝受不凝气体含量、物理化学性质的影响而很复杂。上个世纪9 0 年代，王朝阳等提出了一个较精确和严密的模型，并用此模型成功预测了少量 不凝性气体对圆管内蒸汽冷凝换热的影响，并与相应的实验数据吻合。此后， 王朝阳等【2 l 】又将此模型推广到环型几何形状，并忽略了气液界面波动的影响， 但其考虑了液面传质对动量传递、热量传递的影响，并发现主流r p 数和半径 比，+ 对混合气体在环形通道内流动冷凝有显著的影响。但其假定壁面上的冷凝 液膜为层流，在蒸汽含量较高和混合气体主流流速较高时不适用。 贾力等【2 2 】研究了含湿混合气体在垂直圆管内的对流凝结传热。他们利用修 正的膜模型与n u s s e l t 凝结理论建立了热力学模型，并预测了壁面温度对膜厚 度和界面温度的影响，计算了凝结液膜厚度，并与气相热阻法进行了比较。他 们的模型更接近实验结果，其提出的含湿混合气体对流凝结传热与n u s s e l t 凝 结理论不同。在预测结果时，其比实验结果高，但明显优于气相热阻法。一方 面，其考虑了气液界面的曳力和单相对流传热，另一方面，实验的混合气体中 水蒸汽含量为8 0 一2 8 ，但其认为蒸汽的凝结不影响主流流动值得商榷；其还 认为壁温恒定也有待验证。 李孝萍等】也做了含湿混合气体在垂直管内对流冷凝传热的实验研究。他 们用水冷却套管间流动的含湿混合气体。其认为含湿混合气体凝结的主要热阻 为气膜热阻，混合气体与凝结液膜间的传热有潜热传递和显热传递两部分，他 们通过液膜的导热传给壁面。所以其认为混合气体向气液界面传热是浓度梯度 和温度梯度共同作用的结果。 另外，李孝萍等在处理数据时，采用了威尔逊法，将换热系数从传热系数 中分离出来，对混合气体主流对过渡流和湍流采用了不同的关联式，并分别考 虑了液膜热阻和气膜热阻并考虑了传质对气膜热阻的影响。但其液膜厚度的计 算是用层流下的方法得到的，这样计算得到的液膜厚度能否在湍流下使用，也 有待验证。他们得出影响含湿混合气体冷凝传热的因素有：( 1 ) 水蒸汽质量含 量。当为2 4 时，凝结传热的影响很小，主要为单相对流传热。当水蒸汽 霜翊丈拳霹i 圭学位 奎文 含量逐渐增加，凝结传热的影响也逐步加强，在水蒸汽含量达到定数量时， 凝结将起主嚣作用，两肇楣对滚传热豹影响可以忽略不计。( 2 ) 冷却水的进嗣 温度。随蔷冷却承进口涤麓的秀高，混合气体中东蒸汽的冷凝量减少，承蒸汽 回收份额也减少，不利于热量回收，并且随着r 8 的增加，这种影响更加显著。 ( 3 ) 混合气体进口温度。较高的混合气体进口温度，一方面增加了显热传递的 澄差，毽弱嚣雩遣撵裹了溱合气薅孛拳蒸汽豹涅度，不裁予冷凝馋熬瓣送行。溅 台气体进口濑度越低，n u 数越高，传热系数越大凝结传热越快，但混合气体 中水蒸汽含嫩降低越快，从而传热系数也降低越快，n u 数也降低越快。 含瀑混合气接的冷凝囊c o l b u m h e 秘h o u g e n 的开创牲工