（化学工程专业论文）气液降膜流动过程的传递现象研究.pdf

中文摘要 液体降膜流动现象在过程工业中有重要的应用，深入研究降膜流动时的传递 现象对于开发新型气液传质与反应设备具有重要意义。 本文首先对液体降膜流动在过程工业中的应用进行了介绍，对相关的研究进 展，包括理论预测，实验测量方面的最新研究成果进行了综述。 本文第二部分对一种能够强化气液传质过程的液体双面降膜结构进行了实 验和理论研究。工作内容包括研制实验设备，测定不同工况下( 比如不同液相进 口浓度、不同气液相流速等) 降膜传质效果，对比了不同填料结构的传质效果； 建立了描述液体双面降膜流动与传质过程的数学模型，通过模拟计算得到了相关 的气相速度分布和浓度分布，模拟结果与实验数据吻合较好。 论文第三部分建立了描述湍流条件下气液两相逆流降膜流动与传质过程的 计算传递学模型，并对模型的适用性进行了实验验证，模拟结果和实验结果吻合 较好。利用该模型分析了气、液相流速变化对传质的影响，在此基础上，又建立 了流动与传质过程相互耦合作用的气液逆流降膜解吸传质过程的计算传递学模 型，结果表明考虑热质耦合作用的理论模型较传统模型能更好地模拟层流降膜过 程的传热、传质现象。 关键词：两相流；双面降膜；湍流；热质耦合；计算传质学；计算传热学； 计算流体力学 a b s t r a c t t r a n s p o r tp h e n o m e n ao ff a l l i n gf i l mf l o wc a nb ef o u n di nm a n yf i e l d so fp r o c e s s i n d u s t r y i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oi n v e s t i g a t et h ef l o wp a t t e r n sa n dm a s st r a n s f e r e f f i c i e n c yf o rt h ed e s i g no fn e wt y p eo f m a s st r a n s f e ro rc h e m i c a lr e a c t i o ne q u i p m e n t t h eb a c k g r o u n do ff a l l i n gf i l mb e i n ga p p l i e di np r o c e s si n d u s t r ya n dr e c e n t l y p u b l i s h e dr e s e a r c hw o r k s ，i n c l u d i n gt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ， i s i n t r o d u c e d r e p o r t so n d o u b l e s i d ef a l l i n gf i l m ，f a l l i n gf i l mu n d e rt u r b u l e n t c o n d i t i o n a n dc o u p l i n gm a s st r a n s f e rw i t hh e a tt r a n s f e ra r ea l s oi n t r o d u c e d e x p e r i m e n t a lt e s ta n dc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h e m a s st r a n s f e re f f i c i e n c yf o rad o u b l e s i d ef a l l i n gf i l mf l o w e x p e r i m e n t a lr i gf o r t e s t i n gt h em a s s t r a n s f e re f f i c i e n c yo ff a l l i n gf i l mf l o ww a sd e s i g n e da n dt h e c o n c e n t r a t i o nc h a n g eo ft h el i q u i dp h a s eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha s f l o wr a t eo fg a sa n dl i q u i d ，w e r em e a s u r e d m o d e l sf o rs i m u l a t i n gm a s st r a n s f e ro ft h e f a l l i n gf i l mf l o ww e r ed e v e l o p e d t op r e d i c tt h ep r o f i l e so fv e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o n i ng a sa n dl i q u i dp h a s e t h es i m u l a t e dr e s u l t sf i tw e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h e o r e t i c a lm o d e lf o rs i m u l a t i n gt h ed e s o r p t i o np r o c e s so fi s o - p r o p a n o ls o l u t i o n i n t on i t r o g e nw a sp r o p o s e d i nt h em o d e ls i m u l t a n e o u st r a n s p o r tp h e n o m e n ao f m o m e n t u m h e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s s e sw a sc o n s i d e r e d e x p e r i m e n t a lw o r kw a s c a r r i e do u tt ov e r i f yt h ep r o p o s e dm o d e l i tw a sf o u n dt h a tt h es i m u l a t e dr e s u l t sw e r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ai ns o m ec a s e s t h ei n f l u e n c eo fg a sa n d l i q u i d i n l e tv e l o c i t i e so nm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yw a sp r e d i c t e db yt h ep r o p o s e d m o d e l b ym o d i f y i n 2t h em o d e lm e n t i o n e da b o v e ，am a s s - t r a n s f e rc f d m o d e lw a s p r o p o s e dt os i m u l a t et h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s s e s i t w a sf o u n dt h a th e a ta n dm a s st r a n s f e rc a nb es i m u l a t e dm o r ea c c u r a t e l yb yt h en e w m o d e lt h a nb yt h et r a d i t i o n a lo n e k e yw o r d s ：t r a n s p o r tp h e n o m e n a ；t w op h a s ef l o w ；d o u b l e s i d ef a l l i n gf i l m f l o w ；t u r b u l e n c e ；c o m p u t a t i o n a lm a s st r a n s f e r ；c o m p u t a t i o n a l h e a tt r a n s f e r ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 符号说明 符号说明 分子热扩散系数，m 2 s 湍流热扩散系数，m 2 s 有效传质面积，m 2 m 3 填料比表面积，m 2 m 3 平均浓度，质量分率 气相总摩尔浓度，m o l m 3 液相总摩尔浓度，m o l m 3 脉动浓度，质量分率 浓度方差 c 2 一占，模型常数 比热容，j ( k g k 1 分子扩散系数，m 2 s 湍流质扩散系数，m 2 s 动量源项，k g ( m 2 - s 2 1 v o f 模型下的表面张力 m a r a n g o n i 剪应力 气液界面剪应力 摩擦系数 重力加速度，m s 2 气相传热系数，j ( m 2 s k ) 湍动能，m 2 s 2 特征速度 气相传质系数，m s 液相传质系数，m s 计算区域长度，m 分子量 体积流量，m 3 s 传热源项，j ( m 3 - s ) r e y n o l d s 数 汽化潜热，j k g ccc 号 p f 符 c 敕口qc嘞嘞c 7印勺d口f哳g后扩k，地q踟c2i 符号说明 s t t t u “ 历 g p w 石 x i x j 。 y 希腊字母： 口 d 万 ， 芷 f r g p 仃 f g c 上下标 g i i n l l i n l o u t 肌ljm 2 ，m 3 相间传质源项，k g ( m 3 s ) 温度，k 气液接触时间，s 时间，s 时均速度，m s 脉动速度，m s 瞬时速度，m s 有效速度，m s 质量分率 液相摩尔分率 坐标 气相摩尔分率 体积分率 相对挥发度 液膜厚度，m 接触角，o 曲率半径 特征时间 气液界面剪应力，p a 密度，k g m 3 表面张力系数，n m 分子动力粘度，p a s 湍流动力粘度，p a s 湍动能耗散率，n s 浓度方差耗散率，s 。 气相 相界面 进口 液相 液相进口 液相出口 常数 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者繇泳日r 签字嗍 5 年7 月细日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗苤堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤 盗蠢堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：磅q 闷 签字日期：3 。dg 年( 7 月。日 导师签名： 签字日期： 南 月 k 叩 垮呕 赢 k 第一章文献综述 第一章文献综述 长期以来气液降膜流动一直是化学工程和石油工业掣卜2 1 领域的重要研究对 象。气液降膜流动是指液体在重力作用下，沿固体或其他支撑媒介表面呈膜状向 下流动。利用降膜流动这一气液接触形式进行传热或传质，常见于精馏、吸收、 气液反应等化工过程中。定量研究降膜流动过程中流动结构与传质传热速率的关 系对于准确预测设备操作性能，开发新型气液传质与反应设备具有重要的意义。 1 1 气液两相降膜流动研究进展 对气液两相降膜流动的研究不外乎实验研究和理论研究。液膜流动的实验研 究主要是测量降膜流动时的液膜内速度，液膜厚度等参数，主要分为接触式测量 和非接触式测量。接触式测量技术发展最早，测试成本较低，但需要探头与被测 液体直接接触，或多或少地会破坏原有的液膜流动形式。而2 0 世纪六七十年代 发展起来的非接触式测量技术，由于采用光学法、示踪剂染色法、示踪粒子法等 手段获得流场信息，对流场的干扰较小，因而能够获得较为准确的流体数据。 表1 1 液膜流动的测量方法 t a b l e1 - m e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rli q u i df i l mf l o w 虽然非接触式测量方法具有明显的优越性，但是也存在一些亟需解决的问 题。如何将非接触式流动显示技术直接测量得到的杂乱无章的粒子图像或电信 号，转变成有用的流场信息是问题的关键所在。当随着技术的发展，这些问题得 到逐步解决之后，非接触式流动显示技术在测量诸如液膜流动、气泡运动等多相 流问题方面的应用会日趋广泛。 描述液体降膜流动最早的理论为1 9 1 6 年提出的n u s s e l t 理论【1 7 】，该理论是对 光滑平板上层流下降液膜的模拟。忽略界面波动和气相剪应力的影响，通过求解 降膜动量和能量方程，得到液膜传热膜系数，并得到了液膜厚度。利用该理论可 第一章文献综述 以预测降膜流动下液膜厚度等参数。由于该理论忽略了液膜波动，因此n u s s e l t 理论是一种极其理想化的模型。n u s s e l t 提出的降膜速度分布为： 吣，= 等 嘉) 。， k a p i t z a 1 8 基于n u s s e l t 模型及假定流动流体力学随波长变化提出了相应的速 度分布式。b r a u n e r 和m a r o n 掣1 9 - 2 0 将液膜弧峰切成一系列片断。由于物理特性 不同，每一段峰都有不同的速度分布。 后来，人们发现液膜表面平滑的假设并不合适。m i l l e r 2 h 认为任何液膜在竖 直降落时都会出现波动。b r a u n e r 2 2 】指出液膜波动有两种类型：一种是震动频率 高，振幅小的正弦波；一种是界面不对称，波前端陡峭，波后端出现较长拖尾的 滚动波，这种波动对传质影响很大。流动对传质有影响，反过来传质对流动也会 发生作用。m i l l e r 和k e y h a n i l 2 3 】在研究中注意到传质对流动的影响。 k h e s h g i 和s c r i v e n 2 4 1 利用有限元技术解决了流动方向上的周期性边界条件问 题，证实了o r r s o m m e r f e l d 预言的极小波动发展论。他们的研究仅限于低流速 流动，还缺少实验数据的验证。近期已有学者h o 和p a t e r a 2 5 】、m a l a m a t a r i s 和 p a p a n a s t a s i o u 2 6 1 、s a l a m o n 等【2 7 】、以及r a m a s w a m y 等 2 8 1 做了相关实验工作。 为了进一步研究液膜波动行为，d u k l e r 等1 2 9 - 3 0 】、h e w i t t 等刚以及m i y a r a 等【3 2 】 进行了大量实验和理论工作。研究结果确定了液膜波动与r e 数的具体关系，即： 在低于临界r e 数时，液膜表面完全平滑；当稍高于临界r e 数时，液膜表面开 始出现正弦波；随着r e 数不断提高，开始出现滚动波。r e 数 1 0 0 时，波动不 再稳定，可能出现三维结构的波动【3 3 1 ，需要运用统计手段加以描述。当r e 数很 大时，波动形式出现紊乱，液膜从层流变为湍流。 为了描述湍流条件下液膜的流动过程，g r o s s m a n 和h e a t h 3 4 j 、k h o i p a n o v 和 k e n i g 3 5 】建立了一些经验方程式：比如在质量扩散系数和热传导系数的基础上引 入涡流扩散系数，来描述湍流对传质和传热的影响。但是这些方程的精确度都不 是很高。 为了更准确地预测液膜厚度及其流动情况，有学者 3 6 - 3 9 采用数值计算方法求 解液体降膜流动过程。如建立自由边界求解方程，给出从自由边界到某条参考线 的距离随参考线位置变化的函数。例如，在一个单元宽度为6 x ，高度为6 y 的矩 形网格上，定义h 为自由边界到每列单元最底端边界网格的垂直距离。可通过一 系列的离散x 值得到h 的一条曲线h = f f x ，t ) 。这种定义方法使用起来非常方便， 只需一维存储列来记录自由表面的高度值。同样，自由表面发展方程也只需进行 一维列的更新。流体自由界面随时间的发展方程用下式表示： 2 第一章文献综述 a h8 h 瓦+ “8 x ( 1 2 ) 值得注意的是方程( 1 - 2 ) 在水平方向采用欧拉处理法，在垂直方向( 近似的界 面法向方向) 采用拉格朗日处理法，求解采用有限差分法。 由于液膜厚度方程法形式简单，易于实现数值求解，因此许多学者【4 0 4 7 】采用 这种方法来描述液膜流动界面波动。但是，当边界斜率d h d x 超过单元网格纵横 比6 v 6 x 时，这种方法不适用，而且对多面值问题，该方法完全不可行。这些问 题严重地限制了液膜厚度方程法的广泛应用，因为许多简单的形状，如气泡或液 滴，都属于多面值问题。 将液膜厚度方程法推广，用线段或线段所连接的点序列来表示液膜自由表 面，称之为线段法。这种方法需要存储每个点的坐标，为了保证精度，两点间距 离必须小于网格尺寸的最小值。该方法没有单值面限制，但需要大量存储空间。 线段序列随时间发展很容易获得，只需考虑局部流速移动距离序列即可，局 部流速根据点周围网格速度采用内差法确定。从这个意义上说，线段法类似于拉 格朗日网格线，只是该方法更加灵活，因为根据最优精度需要可以随意增减一些 有序线段，而不会出现任何逻辑问题。 线段法也有其致命缺点，就是当处理两个交叉面或一个重叠面时，线段序列 可能因为一些序列的增减而需要重新排列。如果能预知面的交叉规律，那么线段 重列过程毫无问题，但预测面如何交叉以及确定如何重新排列并非易事。同样， 将线段法扩展到三维面上也不容易实现。 除了直接确定自由表面位置，还可通过确定流体占据的区域空间来确定自由 表面位置。假设在分层流动的某种流体所占据区域内遍布着被标记的粒子，每个 粒子将跟随它所在位置处的流体一起运动。自由表面定义为存在和不存在标记粒 子区域之间的位置。显然，这种方法需要存储大量标记点坐标。标记粒子法，完 全解决了交叉面涉及的所有逻辑问题。只要有足够存储空间，这种方法可以很方 便地扩展到三维问题。 h i r t 和n i c h o l s l 4 8 】首先提出了v o f 模型( 对流体自由界面的一种追踪技术，它 通过计算控制微元内不同流体体积分率函数的变化来确定流体界面) 的早期计算 思想，用来分析自由界面的流动。h i r t 和n i c h o l s 对主场的计算采用了 d o n o r - a c c e p t o r 、u p w i n d 特征思想和补偿效应，即扩散效果，虽然模型很粗糙， 但是在界面追踪技术领域开创了一个新的方向。近年来，r u a nb i n g l u 、z h e n g d o n g h o n g 9 】也采用v o f 模型预测液膜的降膜流动。文献1 5 0 】详述了v o f 模型的 发展历程。 第一章文献综述 谷芳【5 1 】针对平板降膜流动过程采用v o f 法建立了二维气一液两相分层流动 c f d 模型( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体力学) ；提出影响液膜流动 的两个重要动量源项：表面张力动量源项和界面剪应力动量源项；利用理论模拟 手段考察了板面结构、液相物性及气液流速对液膜流动的影响。在流场模型基础 上建立了二维气一液两相降膜解吸传质c f d 模型。 在谷芳研究的基础上，陈江波1 5 2 j 采用v o f 法建立了规整填料内部气液降膜 流动的三维流体力学模型，初步模拟了加压下规整填料塔内气、液两相逆流流动 状况，模拟物系和条件均与实际高压精馏实验一致。模型中考虑了影响液膜流动 的两个重要作用力：表面张力和气、液相间作用力。根据模型计算了不同操作压 力以及不同气相f ，因子下填料内气、液相流动过程，并根据结果讨论了操作压 力和气相f ，因子对液相流动的影响，同时还根据计算结果估算了填料内持液量 和有效润湿比表面积。 张维蔚1 5 3 1 对层流条件下气液逆流降膜流动建立了计算传递学模型，并对模 型适用性进行了实验验证，模拟结果和实验结果吻合较好。针对湍流条件下气液 降膜流动与传质过程建立了描述湍流质量输运的模式化理论，给出了浓度方差 c 。和浓度方差耗散率的输运方程模型常数，并以此预测规整填料内部的浓度 分布。但是湍流部分的模拟缺少实验数据验证，本文工作之一就是通过实验和理 论研究湍流条件下气液两相降膜流动。 1 2 降膜流动传质过程研究进展 最早对降膜流动过程中传质现象进行研究的是n a k o r y a k o v 和g r i g o r e v a t ”j ， 其工作在早期气液两相接触传质模型建立过程中起了很重要的作用。他们对竖直 板上层流降膜流动进行了模拟，吸收过程为稳态。假设：1 ) 气液界面浓度迅速 达到平衡；2 ) 气相和液相所有物质性质保持不变；3 ) 轴向扩散和热传导可以忽 略；4 ) 径向速度可以忽略；5 ) 液膜厚度不变；6 ) 入口溶液温度和浓度均匀。 这些假设虽然简单，但足以解决许多问题，至今仍然被广泛使用。g r o s s m a n l 5 5 】 的传质模型假设界面两侧气液相平衡浓度呈线性关系。a n d b e r g t 5 6 。57 】首次对水平 管建立了具体的数学模型，考虑了内扩散引起的能量改变，和液膜厚度随吸收量 的变化。界面相平衡采用m c n e e l y 5 8 j 关系，问题是其使用的大多数质量扩散系数 比k a n s h i m a g i l 5 9 】和e n d e r b y 删的实验测量值大。 传质与流动具有相互作用。c h a r l e s 6 1 1 的研究指出波动界面的传质系数比平 滑界面的传质系数大很多。m i l l e r 和k e y h a n ie 2 3 】试图把传递速率与雷诺准数相关 联，另外y o s h i m u r a 等【6 2 1 通过增设系数鼍将传递速率与湍动频率相关联，其中系 数芎在物理特性不变的条件下只取决于波动相速度。若不考虑降膜流动结构，这 4 第一章文献综述 些关联式还不能普遍应用于不同流动条件。h a n r a t t y 等1 6 列提出参数b 为控制界面 传质最重要的动力学参数，b 代表在表面液体垂直波动速度梯度。m c c r e a d y 等 旧 更进一步指出传质过程应当首先取决于b ，其次是b 频谱，除非速度波动频率 非常低。a m c a z a b a t 掣6 5 j 最早将m a r a n g o n i 效应引入液体流动过程中。针对热 泵吸收制冷过程，杨儒等1 6 6 】研究了波纹板上降膜流动过程，研究发现波纹板上降 膜吸收效率高于平板降膜吸收效率。在前期研究基础上，杨儒f 67 】对降膜吸收过程 进行了理论研究，研究对象为多孔介质内降膜流动。研究发现，通过引入多孔介 质可以有效强化液体降膜吸收过程，该工作主要缺陷是没有进行相关实验验证， 因此其研究结果存疑。板换成了竖直多孔介质，液体流经多孔介质，与另一侧具 有相同流动方向的气体接触传质。结果表明，多孔介质的加入能够提高降膜流动 吸收速率。 s i y o u n gj e o n g 等【6 s 】在水平圆管外壁进行滴液降膜实验，实验物系为i i b r 水。溶液流速较低时，装置上部管壁冷凝了更多的蒸汽；降膜区比积液区吸收了 更多的蒸汽。当溶液流量增加后，积液区的作用就越来越重要。j i n k y e o n gk i m 等 69 】在对管外降膜流动进行了研究，实验装置为一列水平放置的圆管，管间留有 一定距离( 见图1 1 ) ，通过对圆管表面进行处理，发现处理后圆管外壁润湿率得 到了提高，相应地，传质量和传热量也有所增加。该项研究表明润湿率对吸收过 程有明显的影响：润湿率越低时，吸收效果越差。k a z u n o r iu c h i y a m a 等【7 0 】对c 0 2 降膜吸收做了研究，其中液体附着在不锈钢丝上向下流动，同时与逆流气体接触 传质，结果显示采用新的流动结构能有效地提高传质效率。实验装置见图( 1 - 2 ) 。 蕊蹲 二? ? j 、 7 广、 i ， f ，7 二 l 一 一j ) 、j i 7 二、 1 | ，| 一j 7 盟生剂 图1 1 圆管降膜装置图 羲厅， f i g 1 - 1s c h e m eo f f a l l i n gf i l mo nr o b e 第一章文献综述 口吾。曹 ：皴。- = o = 2 一 图1 2 丝线降膜装置图 线 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fn o z z l e w i r ea s s e m b l ya n ds t r i n g o f - b e a d sf l o w o fl i q u i da b s o r b i e n t 张峰等研究了液膜收缩与流速、浓度等变量之间关系，确定了液膜收缩条 件，建立了相应的数学模型定量描述收缩角大小与收缩液膜外侧宽度等几何特征 量、表面张力梯度等物理特征量间的关系。指出表面张力梯度存在会导致液膜收 缩。 az 图1 3 液膜收缩物理模型 f i g 1 - 3s h r i n k a g eo f ah e a t e df i l m 谷芳川模拟了竖直平板和波纹板上气液两相逆流降膜过程，流型为层流。具 体的传质方程为： 6 第一章文献综连 旦竺。o ! t i 堕+ v ( q 岛6 瞄一q e v 瞄) = 碰。 其中，”表示第g 相第七组分的质量分率：p 。表示第q 相密度 气一液相间传质源项，定义为： 兕2 h v 一) 【瓦三石+ 赤j ( 1 3 ) s 如表示 ( 1 _ 4 ) 一表示传质扩散系数，c = 叫岛。经过模拟计算得到了传质时的气相浓度 分布图( 如图( 1 _ 4 ) 和图( 1 5 ) 所示) ： a 气相进口b ：中问区域c 气相出口d ：c 图局部放大 图 - 5 波纹板上的气相浓度分布等势图( a = 2 4 4 e - 6 m 3 s ，o f l5 m h ，“。= 0 0 2 17 2 2 ) f i g i - 5 c o n l o u r so f g a sc o n c e n t l a t i o no n t h e w a v yp l a t e 一$ 文日综4 陈江波15 2 1 在谷芳的基础上模拟了湍流条件下，规整填料内气液两相的流动与 传质过程。在规整填料内，由于气、液相均处于湍流状态，因此将第口相中第k 组分的扩散系数c 表示为：，、 吃= b 峨+ ) ( 1 5 ) 式中d ：为第口相中第 组分的分子扩散系数，见，为第g 相中的湍流扩散 系数。 气、液相的传质系数k 和t 。采用高压操作条件下g u a l i t o 等【”悃到的关联式， 形式上与r o c h a 等【7 。i 提出的关联式一致， 忙o 。s 。( 譬 等竽兀彘 。” 。， 忙z j 坚竽 ， 对于有效传质比表面积以，还是采用g u a l i t o 等提出的模型，其形式如下： 丢= r ( 志 通过模拟计算得到了规整填料内气液两相的相含率及浓度分布 ( 卜6 ) 所示： 隧 撼 8 霾 擞 l 淼 ( 1 8 ) 结果如图 图i 6 规整填料内液相浓度分布等势图( a ) 特征单元内：0 ) 特征单元中不同截面内 ( f = l0 2 5 ( m s ) ( k g m 3 严，= l4 m p a ) f i g 】一6 c o n t o u r o f l i q u i dc 帅c e n t m t i n n i n t h e r e uo f t h e s t r v c m r t e dp a c k i n g 张维蔚在陈江波的基础上，对湍流条件下的传质理论进行了研究，所建立 的湍流条件下的传质输运方程为： 月一 文献镕述 专。叩) 2 毒l 加，考卜 。、 其中，湍流扩散系数d ，采用一岛双方程模型求解，即 卟c 。悼 ” 1 5 tj r i - l o 、 维度方差c 2 方程： q 掣3 冰。+ 垌伽器掘 m 。 浓度方差耗散率矗方程： u ，掣2 专l d 一等j 善j _ 白哮i 考 c 。2 p 等 a u ? 6 “： “叶i 幸“9 亍 。，： c 2 0 模型常数为：c 。= 0 1 4 ，t 1 = 2 0 ，c 。2 = 2 , 0 ，c 3 = 0 7 2 ，t 4 = 0 9 2 模拟得到了如图( 17 ) 所示的气相浓度分布： 4 ，e - u z 4 2 e - 0 7 3 7 e 0 ： 3 2 e - 0 2 2 7 e - i - 2 2 2 e - 0 2 1 7 e - 0 2 1 2 e0 2 0 7 e - 0 2 d 2 d 2 6 6 0 3 1 6 e 0 3 6 6 e t 0 3 1 6 e - 1 3 3 圈i 一7 浓度分布 陈亚平等设计了一种双f 面i g 反i - 筹禽蓬装誉? 墨；盏用于溴化锂溶液的吸收过 程。使用m a t l a b 65 软件进行了液膜传递过程模拟计算。装置见图卜8 ： 曩匪隧p降。=： 第一章女m 综e 图卜8 双面反转降膜装置图 f i g l - 8s c h e m eo f d o u b l e s i d e f i l m i n v e r t i n ga b s o r b e r 陈所建立的模型没有考虑气液界面剪应力、表面张力和m a r a a g o n i 效应。囡 此，这只是一种近似模拟。 13 文献综述小结和本文工作概述 气液两相降膜流动作为一种化学工程中常见的流动形式，具有重要研究价 值。本章主要介绍了气液两相降膜流动和传质过程的实验技术手段，以及理论研 究的发展脉络。无论是实验测量还是理论分析，其演化历程无不是从简略到精细， 从简单到复杂。但是，早期理论工作并没有失去其历史价值。比如，n u s s e l t 降 膜理论作为降膜流动的经典理论，奠定了他人工作的基础，其基本假设至今仍然 在很多场合被广泛采用。m i l i e r 和c h a r l e s 等人的工作将流动与传质聪系了起来， 这无疑突破了人们的传统思维，体现了普遍联系的原则，从此以后，理论预测的 精度大为提高。与流动、传质相互联系相互影响类似，传热和传质也能耦台在一 起，表现为熟附加扩散效应( s o r e t 效应) ，代表由温度场的不均匀性而导致的传 质现象，和扩散附加热效应( d u f o u r 效应) ，代表由浓度场的不均匀性而导致的 传热现象，这部分内容本文涉及不多，可参见am a n s o u r p “和陈宝明等n ”的文 章。在数值模拟方面，本章介绍了包括v o f 模型在内的一系列流体自由界面追 踪技术。同时，也回顾了谷芳、陈江波、张维蔚等将两相流研究应用于规整填料 塔所取得的成果。 对于气液两相降膜流动的研究方兴未艾，在依托传统回管、平板和波纹板设 备的基础上，人们又运步开展，双面降膜的研究，而这正是本文探讨的重点内容。 本文下面将从实验和数值模拟两个方面入手，对自行设计的双面降膜设备进行了 研究。同时，也初步涉及了湍流和热质耦台的工作。 第二章双面降膜流动与传质的实验及理论研究 第二章双面降膜流动与传质的实验及理论研究 传统降膜流动一般为液膜附着在固体表面的降膜流动，液膜的一面为气液 接触面，另一面为液固接触面，由于液固接触面不可能有气液传质发生，故称 之为单面传质液膜。当液膜以固体为骨架而形成降膜流动结构时，如网孔板或 开孔平板上的降膜流动结构，由于液固以及液体表面张力的作用，流经网孔部 分的液膜，其两个表面均为气液接触表面，我们称之为双面传质液膜。本实验 室初步研究表明，与传统传质降膜流动形式相比，双面传质的降膜流动结构能 够更有效地提高气液传质效率。本章将通过实验和数值模拟对双面传质降膜流 动过程的气液传质效率进行分析，并给出初步的结论。 2 1 双面降膜实验 2 1 1 实验设备及实验流程 实验所用的气液逆流接触装置如图2 1 所示，装置中间放置插板，插板根据 开槽大小和间距的不同分为四种类型：( a ) 不开槽的平板；( b ) 缝宽为3 m m ，缝 间距为1 2 m m 的开槽板；( c ) 缝宽为3 m m ，缝间距为2 4 m m 开槽板；( d ) 缝宽为 6 m m ，缝间距为1 5 m m 开槽板。实验盒内气液接触面的高度为2 0 0 m m ，流道宽 8 4 m m ，实验盒内部空间厚度为5 0 m m ，实验盒材质为有机玻璃，内插不锈钢板 的厚度为0 2 m m 。气体从装置下部两侧入口分别流入装置，从上部两侧出口各 自流出；液体从装置上部的两个窄缝流入，均布到不锈钢板两侧的表面，形成 液膜向下流动，与气体逆流接触传质后，从装置下部的排液口排出。 第一章面降膜流动与传质的实g 论研r 图2 - 1 ( a ) 气液逆流接触装置 f i g2l ( a ) s c h e m a t i c d i a g r a mo f d o u n e - s i d e f a i l i n g f i l mc o n t 非t o r = $ 日降m 自；传月的实验& 理论研究 ( 1 )“i ) 图2 - l ( b ) 气液逆流接触设计装置正视图和侧视图 f i 9 2 1 ( b ) s c h e m a t i cd i a g r 眦o f d o u b l e - s i d e f a l l i n 2 f i l mc o n t a c t o f ( 1 ) f r o n tv i e w ；( 1 1 ) s i d ev i e w 实验流程图如图2 - 2 所示。空气由压缩机提供，经电恒温装置由接触器下 部气相入口进八，与液膜逆流接触后放空。储槽中的异丙醇稀溶液由泵输送 经电恒温装置后进八接触器中，在接触器中与气相接触后流入接液措内。其中 电恒温装置由电加热器和p i d 温度控制仪表组成，由p i d 温度控制仪表控制电 加热器对气相和液相加热使其温度稳定在要求的实验值范围内。 第二章双面降膜流动与传质的实验及理论研究 图2 2 实验流程图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f h e a ta n dm a s st r a n s f e re x p e r i m e n tf o rt h ec o u n t e r c u r r e n tf a l l i n g f i l mf l o w 1 空气压缩机；2 排气阀a ；3 排气阀b ；4 转子流量计( 气体) ；5 降膜主装置；6 接 液槽；7 转子流量计( 液体) ；8 p i d 温控；9 夹套；1 0 离心泵a ；1 1 广口瓶；1 2 原料液贮槽；1 3 刻度线；1 4 离心泵b ；1 5 转子流量计c 。 1 a i rc o m p r e s s o r ；2 d e l i v e r yv a l v ea ；3 e x h a u s tv a l v eb ；4 r o t a m e t e r ( a i r ) ； 5 f a l l f i l mc o n t a c t o r ；6 。l i q u i dr e c e i v e r ；7 r o t a m e t e r ( l i q u i d ) ； 8 p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ；9 j a c k e t ；1 0 c e n t r i f u g a lp u m pa ：11 j a r ； 1 2 r a wm a t e r i a lt a n k ；1 3 i n d i c a t i o nl i n e ；1 4 c e n t r i f u g a lp u m pb ：1 5 r o t a m e t e rc 实验物系采用空气一异丙醇水溶液体系，异丙醇和水作为气液相间传递的介 质，物性见表2 - 1 。 1 4 第二章双面降膜流动与传质的实验及理论研究 表2 1 实验物系的物理性质 t a b l e2 1t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 实验步骤为：调节气液相流量及温度，待温度和气液相流动稳定后，在气液 接触器液相出口处取样，分析气液接触器液相进、出口浓度。在一组同样的实 验点下，改变气液接触器内插板，进行传质量的测定。 本实验分析方法：采用h p 4 8 9 0 气相色谱对进、出口液相浓度进行测定，分 析条件如下： ( 1 ) 热导池检测器； ( 2 ) 色谱柱填料p o r a p a k q ，粒度8 0 1 0 0 目，柱长2 m ，内径2 m m ，外径 3 m m ： ( 3 ) 柱温4 2 3 k ，汽化室温度4 5 3 k ，检测室温度4 5 3 k 。 采用面积外标法测量实验中取样得到的异丙醇稀溶液的组成。 2 2 双面降膜传质模型 2 2 1 物理模型 理论研究所采用的物理模型尺寸与实验相同，由于液膜厚度远远小于液膜 的宽度，因此可简化为二维流动处理，见图2 - 3 和图2 4 ，计算域宽5 0 m m ，高 3 5 0 m m ；实际气液传质区域是计算域的一部份，其高度为2 0 0 m m 。 第= $ 膜动与传质实验& 4 论研究 图2 - 3 观面降膜传质的物理模型及边界条件 f i g2 3 m a s s t r a n s f e r g e o m e u yo f d o u b l e - s i d e f a l l i n g f i l m 髓d i t sb o l i r i d a r yc o n d i g o n s 模拟是所采用插板的样式和尺寸见图2 4 ： 图2 4 取面降膜装置内部插板的样式和尺寸 f i g2 4s c h e m e o f i p l a t eo f d o u b l e - s i d e f a l l i n g f i l m e 0 | ：j ：l m 第二章双面降膜流动与传质的实验及理论研究 2 2 2 数学模型 由于在实验过程中控制气、液相流量，使液膜流动控制在层流范围内，不考 虑湍流对传热、传质的影响，因此，可采用层流状态下流动和传质的计算传递 学模型【5 l 】。 其中连续性方程： 釉+ 毒( 嬲) 亿。， 体积分率方程： 采用v o f 界面追踪技术，即通过追踪计算单元内各相体积分率的分布得到 相界面位置。对于第q 相，体积分率方程可表示为如下形式： 昙( ) + 毒( 峨，) 吼，g协2 ， 其中，口。为第q 相的体积分率，可由下面公式计算： = 1 控制方程中流体的物理参数由每个控制体内各相共同确定， 流，每个控制体内的密度p 和粘度可由以下两式给出： 夕= 口p + q 一口驴g 2 口l + q 一口l 加g 动量输运方程： 昙+ 毒弘) 一詈+ 毒卜等j + 昭+ ， 质量输运方程： 知岛嘭) + 乳岛蚂) = 毒h 。：等卜 其中，岛表示第g 相的密度；w g 表示第g 相第嘲分的质量分率； 第瑚分的分子质扩散系数。 动量源项： ( 2 3 ) 对于气一液两相 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) d ；表示第g 相 f = + 丘g + ( 2 8 ) 动量源项包括三部分，分别为表面张力源项，气液摩擦力源项，以及由表 面张力梯度引起的m a r a n g o n i 效应源项 第二章双面降膜流动与传质的实验及理论研究 表面张力： 码瓣p c i v 口i ( 2 9 ) 式中，界面曲率茁可用自由表面处单位曲面法向量h 的散度表示，即： 茁= v 五= 南 ( 南，v ) j 以一c v ，刀) 。2 。， 其中，五2 两n ，n = v o t 。o 气液界面剪应力： f l g = d 砂p = 吉 p 无g p uu g 陆一u g ) 舻小4 3 却 弦 ， 1 6 f ! 一 山。r e g ( 2 1 3 ) m a r a n g o n i 效应： = 圭竽= 丢彳掣 协 传质源项： 相间传质源项指的是气液相界面发生的组分传递，本研究主要是指异丙醇 在气液间的传质源项s g 如。