（环境工程专业论文）废气生物过滤系统热质迁移过程的数值模拟.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者繇初融午 嗍“年歹月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密回，在墨年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：州年石月r 日 日期：川年舌月j - 日 浙江工业大学硕士研究生学位论文 废气生物过滤系统热质迁移过程的数值模拟 摘要 在生物过滤系统中，受微生物代谢活动、气流特性以及填料特性 的影响，填料床存在明显的热质迁移现象，使系统宏观运行不稳定。 本文主要建立了生物过滤系统填料层热质迁移过程的数学模型，考察 了一维情况下填料层温度和湿度的变化情况，以及气流特性对填料层 湿度的影响，为生物滤床废气处理系统的工程设计提供了参考依据。 参考多孔介质的体积平均模型和三参数模型，以流体质量和能量 守恒方程为基础，建立了微体积单元中的质量和能量守恒方程，采用 g a l e r k i n 有限元法，对生物滤床处理h 2 s 废气过程的一维热质迁移模 型进行了数值计算，并与实验数据进行了比较。结果表明，模型计算 值与实测点的温、湿度值吻合良好，其相关系数都达到0 9 以上。 气流特性与填料层湿度变化的数值模拟显示：随着进气气速增 加、相对湿度减小、温度增加、浓度增大，填料层的湿度下降，且填 料层湿分迁移速率与气速呈对数关系，与温度、浓度呈指数关系，与 相对湿度呈负乘幂关系；h 2 s 计算浓度值沿轴向由下而上逐渐降低， 且随着时间的推移，轴向各点的h 2 s 浓度逐渐增大。去除率、去除负 荷和微生物相对活性随着填料层湿度的下降而减小。 关键词：生物过滤，气态污染物，热质迁移，数值模拟 浙江工业大学硕卜研究生学位论文 m 脏c a ls i m ，a t i o n so fh e a ta n dm a s s t ra n s f e ri nb 1 0 f i i j e r a bs t r a c t t h e r ew a sh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h eb i o f i l t e rm e d i a ，a sar e s u l to f m i c r o o r g a n i s mm e t a b o l i s ma c t i v i t y ，t h ep r o p e r t i e so fa i rf l o wa n dt h o s e o fp a c k i n gm a t e r i a l ，w h i c hm a d et h es y s t e mr u nu n s t a b l e t h ea i mo ft h i s r e s e a r c hw a st od e v e l o pam o d e lf o rh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nab i o f i l t e r ， a n dt o i n v e s t i g a t et h em i g r a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r e u n d e r o n e d i m e n s i o n a lc o n d i t i o nw i t ha ne m p h a s i so nf a c t o r sa f f e c t i n gt h e m o i s t u r em i g r a t i o n ，s oa st op r o v i d ea d e q u a t ed a t af o rt h ed e s i g na n d o p e r a t i o no f af u l l s c a l eb i o f i l t e rs y s t e m f i r s t l y ，ah e a ta n d m a s st r a n s f e rm o d e lw a ss e tu pb a s e do np o r o u s m e d i a v o l u m e a v e r a g i n gm o d e la n dt h r e e p a r a m e t e rm o d e l t h eo p e r a t o r s p l i c i n ga l g o r i t h m sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dd e v e l o p e db yg a l e r k i n w e r ea d o p t e dt od e d u c et h ed i s c r e t ee q u a t i o n s t h en u m e r i c a lv a l u e so f o n e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rh e a ta n dm a s st r a n s f e ro fm e d i ai nab i o f i l t e r s y s t e mf o rt h et r e a t m e n to fh y d r o g e ns u l f i d ew e r ei ng o o da g r e e m e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n da l lo ft h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa r e a b o v e0 9 s e c o n d l y ，t h ee f f e c t so fa i rf l o wp r o p e r t i e so nm o i s t u r em i g r a t i o n w e r ei n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t sc o n f i r m e dt h a tt h er a t eo f 浙江工业大学硕上研究生学位论文 m o i s t u r et r a n s p o r t i o nw a si np r o p o r t i o nt ot h el o g a r i t h mo fg a sv e l o c i t y , e x p o n e n t i a lo ft e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n ，a n dn e g a t i v ep o w e ro f r e l a t i v e h u m i d i t y , a n d i nt h er e l a t i v eo r d e ro f g a sv e l o c i t y t e m p e r a t u r e c o n c e n t r a t i o n r e l a t i v eh u m i d i t y f i n a l l y ，t h ee f f e c to fm o i s t u r eo nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sc a l c u l a t e d b a s e do nt h em o d e l ，w h o s er e s u l ts h o w e dt h a th y d r o g e n s u l f i d e c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e da l o n gt h eb i o f i l t e r ，w h i l ei n c r e a s e da st i m e p a s s e d b o t ht h er e m o v a le f f i c i e n c ya n de l i m i n a t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e d a sm o i s t u r eo ft h em e d i ad e c r e a s e d t h em i c r o b i o l o g i c a lr e l a t i v ea c t i v i t y ， c a l c u l a t e da st h em a x i m u md e c o m p o s i t i o nr a t ee q u a lt oo n e ，i n c r e a s e da s m o i s t u r eo ft h em e d i ai n c r e a s e d ，a n di tt e n d e dt ob eo n ew h e nt h e m o is t l i r ew a s6 0 k e yw o r d s ：b i o f i l t r a t i o n ，g a s e o u sp o l l u t a n t ，h e a ta n dm a s s t r a n s f e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s i i l 浙江工业大学硕士研究生学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 主要符号表 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 废气的生物处理研究现状l 1 2 1 生物法废气净化常用装置2 1 2 2 生物反应机理5 1 2 3 热质迁移研究6 第二章非饱和多孔介质的热质迁移研究。8 2 1 多孔介质的热质迁移一8 2 1 1 多孔介质的传热过程。8 2 1 2 多孔介质的传质过程1 0 2 2 热质迁移模型研究1 1 2 2 1 参数模型1 1 2 2 2 连续介质模型1 2 2 2 3 混合理论模型1 2 2 3 物性参数测定一1 3 2 3 1 导热系数的测定1 3 2 3 2 局部含湿量测定1 3 2 4 本论文研究目标和内容1 4 2 4 1 研究目标1 4 2 4 2 主要研究内容1 4 第三章实验装置及分析测试方法1 6 3 1 实验装置及工艺流程1 6 3 2 分析测试方法1 7 3 2 1 温湿度测定方法。1 7 3 2 2h 2 s 浓度测定1 8 3 2 3p h 测定。1 9 3 2 4 硫酸根测定1 9 3 2 5 微生物菌落分析19 3 3 菌种驯化、挂膜1 9 3 4 实验器材与试剂2 0 3 4 1 实验主要器材2 0 3 4 2 实验试剂2 0 第四章模型推导。2 1 浙江工业大学硕士研究生学位论文 4 1 模型推导基础2l 4 1 1 三参数模型。2 1 4 1 2 体积平均模型2 2 4 2 模型假设与简化2 4 4 3 模型推导。2 5 4 3 1 质量、能量守恒方程2 5 4 3 2 方程推导2 6 4 4 边界条件3 0 4 5 方程参数。3 0 4 6 方程的有限元形式3 2 4 6 1 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e h t o d ) 简介。3 2 4 6 2 有限元方程推导3 4 4 7 数值计算3 9 4 7 1 基本思路3 9 4 7 2 方程化简4 l 4 7 3 时间步长格式4 l 4 7 4 剩余函数4 2 4 7 5 迭代格式4 3 4 8 本章小结4 4 第五章模型计算及验证4 5 5 1 湿度变化4 6 5 1 1 填料层湿度变化4 6 5 1 2 气流特性对填料层湿度的影响5 0 5 2 温度变化5 5 5 3 生物活性5 9 5 3 1 污染物去除率。5 9 5 3 2 微生物活性6 l 5 4 本章小结6 2 第六章结论和建议 6 1 结论6 3 6 2 建议6 4 参考文献。6 5 鸳i 【谢。7 2 硕士学位期间发表的学术论文目录7 3 v 一般符号 矿 q c i p 丁 u h m 足 s 瓯 d i k k 删 r h jq j h t t , s ：s f r e e c d v u m i c 意义 体积 气体流量 污染物浓度 压力 温度 流体的内能 流体的比焓 物质的分子量 摩尔气体常数 饱和度 有效饱和度 物质i 的分子扩散系数 气相绝对渗透率 物质i 和j 的传质系数 相对湿度 总热流 雅可比 h 2 s 的亨利系数 生物膜的增长系数 剩余函数 去除率 去除负荷 填料粒径 物质的速率 变量 物质i 的质量渗流密度 物质的热容 v i 单位 m 3 m 3 s g m 3 ko r k c a l k c a l m o l g m 0 1 只m 3 k m o l m 2 s i n n g g g m 2 h n l m m s g m 2 s c a l g k 浙江工业大学硕士研究生学位论文 g h h 。 h v 印 k d k 脚踯 k n 2 s k 咿 q q n 2 q 希腊符号 ，7 p 弘 孝 口 a t 矽 矽 下标符号 i ，j ，k n 、m g s l s 三 g s v w b 重力加速度 静压头 单位污染物降解产生的热量 水的蒸发热 生物膜的内源呼吸速率 生物膜的干燥速率 污染物的降解速率 相的相对渗透形 物质的热量 液相至气相的传质速率 水从液相至气相的传质速率 意义 孔隙率 物质的密度 黏度 弯曲系数 克兰克尼克松参数 时间步长 基本函数 体积比 意义 矩阵向量 总节点个数 气相h 2 s 液相h 2 s 液相 气相 固相 水蒸汽相 液相水相 生物膜 v i l g m 3 g m s s 单位 单位 2 g g l l s s s d s s 刚m 融 跚 = | 兰 = | 兰 虮 一 挑 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早三百t 匕 本课题来源于2 0 0 3 年浙江省重大科技攻关项目生物法处理工业有机废气 的技术研究与设备开发( n o 2 0 0 3 c 1 3 0 0 4 ) 。 废气的生物法处理是一项新型的大气污染控制技术，主要通过附着生长在填 料上微生物的新陈代谢过程，把污染物降解为c 0 2 、水和5 0 4 2 - 等无少污染物质， 并生成新的微生物细胞i l 】。与吸收、吸附、催化氧化和燃烧等方法相比，生物法 具有投资和运行成本低、效率高、在室温下即可运行、几乎无二次污染等优点， 尤其在处理低浓度、大气量废气时，更显其经济性【2 】，近1 0 年来己成为国内外 研究的重点和热点【弘引。 大量的研究表明，生物法处理气念污染物的关键控制过程是相间传质和生物 降解，其中，填料层湿度是影响污染物去除效果的一个关键因素。g o s t o m s k i l l j 、a u r a l 6 1 、d a r l i n g t o n e 7 1 、b a g h e r p o u r 【8 1 等研究表明，填料床的湿度变化是气态污 染物生物过滤系统宏观运行不稳定的主要原因，7 5 左右的生物滤床问题由填料 层湿度低所引起。受微生物代谢活动、气流特性以及填料特性的影响，填料床的 温度、湿度在时间和空间上的分布存在较大的变化。因此，丌展气态污染物生物 过滤过程的热质迁移研究，探明填料层温度腽度变化的影响因素及其对污染物 去除效果的影响规律，建立相关描述温度湿度变化的数学模型，对有效解决气 态污染物生物过滤系统工程化稳定性问题具有现实意义。 1 2 废气的生物处理研究现状 生物法处理工业废气最早由德国b a c h h 于1 9 2 3 年在恶臭气体处理中提出 9 1 ，1 9 5 7 年美国报道了利用土壤过滤法处理h 2 s 的专利【l o 】。广泛的研究始于2 0 世纪8 0 年代初荷兰和德国科学家将其应用于有机废气净化领域并取得良好效 果，随后引起了美国、日本和英国、法国等欧美国家的注意舶】。目前在德国、 荷兰、日本、美国、加拿大和英国等已经建有8 0 0 多套生物化学法处理有机废气 ：浙江工业大学硕士研冗生学位论文 和恶臭废气的工业化装置，并呈产业化发展趋势【1 引。h u b e r 等【1 9 】采用单层及多 层生物滤池，反应器体积 3 0 0 0m 3 ，处理的废气流速可高达2 0 00 0 0m 3 h ，负荷 为1 0 0 2 0 0m 3 ( m 3 h ) ；k o e 2 0 采用活性炭洗涤器处理新加坡城市污水厂臭气，其 主要成分h 2 s 的去除率达到9 5 ，臭味去除率为6 0 , - 一7 0 。v a nl i t h 等f 2 l 】于 1 9 9 2 年研究开发了两座全封闭、串联运行的生物过滤系统以处理易生物降解的 有机废气，其去除效率为9 0 。该系统已正常运行了6 年，其工艺成为先进的 自控技术在生物过滤系统上的应用范例。 我国在生物法处理废气方面的研究起步较晚，只是在2 0 世纪9 0 年代中期后， 同济大学、清华大学、昆明理工大学、浙江工业大学等高校和科研院所才开展了 一些实验室阶段的研究工作【2 2 - 2 4 。邵立明等【2 5 1 用凝胶包埋驯化的二沉池污泥制 成微生物颗粒，利用填充床去除h 2 s ；郭静等口6 1 利用污水处理厂活性污泥挂膜的 复合式生物膜反应器进行脱臭，同时探讨了其对液相中c o d 的降解效果，当h 2 s 浓度为6 - 3 4 0m g m 3 ，容积负荷41 6 5m gh 2 s ( m 3 d ) ，h 2 s 去除率大于9 0 ，同 时，对液相中的c o d 也有良好的去除效果；孙佩石等人进行了脱除甲苯的实验 研究【2 7 1 ；陈建孟等用生物滴滤和生物过滤技术开展了有机废气、氮氧化物废气 净化的研究，取得了良好的效果，其中h 2 s 气体的生物法处理已实现工业化应 用【2 8 刎。 1 2 1 生物法废气净化常用装置 目前，气态污染物的生物处理技术及应用类型主要有3 种t 3 0 ：生物过滤系 统( b i o f i l t e r ) 、生物滴滤系统( b i o t r i c k l i n gf i l t e r ) 和生物洗涤系统( b i o s c r u b b e r ) 。前 两者属于固定式生物处理技术，后者属于悬浮式生物处理技术。 ( 1 ) 生物过滤系统 生物过滤系统是最早研究和使用的一种废气处理技术。其工艺流程是：废气 经过增湿器润湿后进入生物滤床，与填料上附着的生物膜接触，污染物被微生物 氧化分解为无少害的无机物，其中转化过程由异养型微生物在有氧中性或微碱 性条件下完成。生物滤床的填料多为天然材质，常选用堆肥、土壤、树皮、泥煤、 泥土以及火山岩等多孔、适宜微生物生长且有强持水性的材质。其中堆肥是目前 应用较多的材料，主要是生活垃圾、碎木屑、树皮、树叶、干草及谷壳等组成的 混合物，这些物质本身含有大量微生物及其所需的无机营养成分，因此通常不需 2 外加营养物厉。其工艺流程如图1 - l 所示。 图1 - 1 生物过滤系统工艺流程示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o f i l t e r ( 2 ) 生物滴滤系统 生物滴滤系统是生物过滤工艺的改进，集废气的吸收与液相再生于一体。其 工艺流程见图1 2 。滴滤床采用的填料一般为非活性介质，如塑料制品( 拉西环) 、 陶粒、聚氨酯泡沫等。微生物附着在填料的表面，当废气通过床层时，污染物被 填料表面的微生物降解为无少害的无机物。其进气方式可分为水、气逆流或并 流两种。通过向循环液添加物质的方式供给微生物生命活动所需的营养物质。滴 滤床可承受比生物滤床更大的污染物负荷，同时有较强的缓冲能力，中断供给营 养物质几天后，系统仍能保持较高的污染物去除效率。 图1 2 生物滴滤系统工艺流程示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o t r i c k l i n gf i l t e r ( 3 ) 生物洗涤系统 生物洗涤系统实际上是一个悬浮活性污泥处理系统，由一个装有惰性填料的 浙江工业大学硕士研究生学位论文 传质洗涤器和生物降解反应器组成，容积比为在1 5 2 0 之间，出水需设二沉池 ( 图1 3 ) 。废气首先进入洗涤床，与惰性填料上的微生物及由生化反应器过来的 泥水混合物进行传质吸附吸收，部分有机物在此被降解，而液相中的大部分有 机物则进入生化反应器，通过悬浮污泥的代谢作用被降解，生化反应器出水进入 二沉池进行泥水分离，上清液排出，污泥回流。 图1 - 3 生物洗涤系统工艺流程不意图 r i g a - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o s c r u b b e r ( 4 ) 生物转鼓( r o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r ) 生物转鼓概念是辛辛那提大学k i m 等【3 1 】在美国ma i r & w a s t em a n a g e m e n t a s s o c i a t i o n9 5 届年会上首次提出的。将生物滤床的填料固定在转盘上，轴向两 端封闭，构成一个“转鼓”，废水用营养液替代，气态污染物从转鼓的外面透过 填料层，进入内轴空间，由轴向排气管排出，完成一次气态污染物的净化。转鼓 每转一圈，填料层经历一次与营养液充分接触的机会，以维持“固定生物”高效分 解污染物的“生物活性”。其主要反应器结构示意图见1 - 4 。该技术集生物过滤和 生物滴滤优点于一体，能够有效解决污染物负荷、生物量、营养液等分布不均的 问题，并且大大提高了有效生物量。r o l l r 等 3 2 1 用生物转鼓处理甲苯废气，在 年的运行过程中，该装置对甲苯的去除效率稳定，且转鼓表面的生物膜厚度可以 维持在6 0 0 岬左右。不过到目前为止，该项技术的实际应用实例未见报道。国内 浙江工业大学的陈建孟【3 3 1 等开展了生物转鼓处理氮氧化物的研究，并取得了良 好的效果。 4 气流出口 营 气流进口 且 v 填料层 图l _ 4 生物转鼓结构示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r 1 2 2 生物反应机理 国内外对生物法处理废气的相关机理已做了大量研究，并建立了众多的数学 模型【3 4 硼，目前影响较大的是荷兰学者o t t e n g r a f 等【3 8 1 根据传统的气体吸收双膜 理论提出的生物膜理论( 即“吸收一生物膜 理论) 。根据该理论，废气的生物降 解过程分为以下三个步骤：( 1 ) 废气中污染物与水接触并溶于水中，即由气相 转到液相；( 2 ) 溶于水中的污染物被微生物吸收；( 3 ) 进入微生物细胞的有机 物在微生物代谢过程中作为能源和营养物质被分解，转化为无害的化合物。见图 1 - 5 。 污 图1 - 5 生物法处理有机废气的机理示意图 f i g 1 - 5i n t e r n a lm e c h a n i s m i nt h eb i o f d t e r 国外早期的生物处理装置基本上按照o t t e n g r a f 的“吸收一生物膜 理论进行 设计，但在实际工程运行中，发现了不少问题，如生物膜活性受环境条件( 温度、 5 塑兰三些奎堂堡主堕塑竺兰垡丝塞 湿度、p h ) 影响较大，处理装置运行不稳定等( 3 9 4 。近年来，许多学者对o t t e n g r a f 等的“吸收一生物膜理论进行了修补和改进。n g u y e n 4 2 】和o k k e r s e l 4 3 1 等在设计 模型时考虑了产生的生物量；m o r g e n r o t h 等【删进一步研究了生物膜厚度分布的 影响，并建立了非线性数学模型描述生物量对污染物降解速率的影响；z a r o o k 等【4 5 】提出了气态污染物轴流扩散理论，他们认为，生物滤床的长期稳定性运行 与微生物的分布密切相关；c h e r r y 和t h o m p s o n 等【4 6 】研究了微生物长期稳定性的 条件，并提出了“保持率”的概念：m a r c i a 等【4 7 】研究了填料层沿轴向干燥过程 及其对生物滤床去除性能的影响，认为填料层干燥的主要原因是进气湿度未饱和 和微生物的新陈代谢。国内孙佩石等【4 8 】针对低浓度有机废气生物净化过程提出 了“吸附一生物膜”理论模型；陈建孟等【4 9 】观察了气态污染物沿填料层轴向浓 度分布，并对填料成膜过程和膜填料的特性参数进行了研究。 1 2 3 热质迁移研究 剖析填料层结构，生物过滤填料实际上是一种非饱和多孔介质( 如图1 6 ) 。 受气流流动、微生物代谢活动以及水分渗流等影响，填料层存在热质迁移现象。 这种热质迁移对填料层表面的生物量分布、生物活性和相间传质等均产生影响， 进而引起生物过滤系统运行不稳定( 去除效率和去除负荷出现大的波动) ，甚至 缩短其使用寿命【l 2 ，4 2 ，5 0 1 。g o s t o m s k i 掣1 1 在研究生物滤床处理甲苯废气时发现， 填料层湿度随系统运行时间推移逐渐减小，湿度降低程度和区域扩散速率与气流 流量、温度、相对湿度等有关；d e v i n n y 等【5 l j 指出，填料层湿度降低会抑制填料 层生物膜的生长；k r a i l a s 等【5 2 】采用生物滤床去除甲醇时发现，堆肥的湿度低于 3 5 会降低微生物活性：孙玉梅等【5 3 】研究了生物过滤系统填料层初始湿度对乙酸 乙酯去除效率的影响；e r g a s l 5 0 】和m o r g e n r o t h 等删认为，填料层生物量分布不均 会严重影响污染物的去除效率，降低污染物去除负荷。 6 浙江工业大学硕士研究生学位论文 净气 废气 图1 _ 6 生物滤床填料层结构剖面图 f i g i 一6s t r u c t u r es e c t i o n a ld i a g r a mo fb i o l f l t e rm e d i a 当前，填料层的温度湿度控制已成为生物过滤系统运行稳定的一个研究热 点。填料层水分如何迁移，如何解决由湿度变化引起的生物量分布不均、去除效 率下降等问题，填料层湿度变化的影响因素等，这些均为生物过滤系统稳定运行 的关键所在。目前，国内外有关生物过滤系统填料层热质迁移的研究报道较少。 因此，在现有的研究和实践基础上，通过生物过滤系统填料层的湿分迁移等微观 现象和污染物去除效率等宏观参数及彼此间影响规律的研究，建立填料层热质迁 移的数学模型，数值模拟填料层温度和湿度的变化，及各参数对填料层湿度的变 化，为生物过滤系统的工业化设计提供参数依据，成为本课题的出发点。 7 浙江工业大学硕士研究生学位论文 第二章非饱和多孔介质的热质迁移研究 所谓多孔介质是指多相物质所占据的一部分空间，也是多相物质共存的一种 组合体。从任何一相来说，其它相均弥散在其中。在多相物质中一定有固体相( 也 称为固体骨架) ，没有固体骨架那部分空间称作空隙或孔隙，它由液体或气( 汽) 体或气液两相占有。固体骨架分布于多孔介质占据的整个空间内，多数孔隙是相 互连通的。流体可通过有效空隙从多孔介质的一端渗透到另一端。人们在研究多 孔介质的输运现象时，往往以“湿分”为中心来进行划分。分析湿分在多孔介质 中的含量、存在形式以及运动规律，是揭示含湿多孔介质内部输运机理的关键所 在。根据湿分的多少及形态，可以把多孔介质分成三类： ( 1 ) 孔隙空间充满液体的湿饱和多孔介质； ( 2 ) 湿分以液体和蒸汽形式存在于孔隙空间中的非饱和多孔介质； ( 3 ) 湿分以纯蒸汽的形式出现于孔隙空间的干饱和多孔介质； 一般工程上最常见的是非饱和多孔介质，其内物质的运动有两个显著的特 征：流体在微小的骨架孔隙空间连续流动。常伴随流体的相变。然而由于固 体骨架复杂的几何形状和流体复杂的特性，难以构建模型去反映所有的输运机 制。 目前国内外对于非饱和多孔介质的研究，主要可分为模型和实验研究二方 面。由于非饱和多孔介质内部的流动及各相含量的变化的实验测量有难度，因此 非饱和多孔介质的研究，一般都采用实验与模型相结合的方法，即通过研究多孔 介质的内部传输机理，建立或利用数学模型来描述和模拟各实际物理过程，然后 通过实验测量以验证模型的可靠性5 4 6 1 ；或者直接通过实验以确定非饱和多孔介 质的各物性参数和传输系数，如热传导系数、湿扩散系数、表观导热系数等。 2 1 多孔介质的热质迁移 2 1 1 多孔介质的传热过程 若多孔介质空隙中含有液体、气体或两者均有，则视流体流动与否、流速高 低、流体的相态与组分及物性之不同，多孔介质固体骨架的性质、孔隙率、弯曲 率之差别，以及流体与固体骨架温度之高低，形成多孔介质的热量传递的各种模 式，包括：固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程；流体 的导热和对流换热过程；流体与固体颗粒之间的对流换热过程；固体颗粒之间、 固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。一般来说，当多孔介质的温度不太高时， 多孔介质中的辐射换热可以忽略不计。具体分析如下： ( 1 ) 热传导 在温度梯度的作用下，多孔介质，溶液和气体都会以热传导的方式传递热量。 其导热量不仅与温度梯度、各相热物性、相组成有关，还与介质的结构密切相关。 过去的研究一般用固、液、气三相按各自所占体积比相加的方法计算有效导热系 数，即 屯= 以g + 九巳+ 或 ( 2 1 ) 式中屯，以，九， 分别是填料层的有效导热系数，填料固相导热系数，水相导热 系数和气相导热系数。良，钆，或分别为三相所占体积比。该公式在含水量较小的 情况下，会发生较大偏差。含水量愈小，偏差愈甚。 ( 2 ) 渗流传热 流体在多孔介质内的流动称为渗流。伴随着流体流动，流体所带的热焓也在 孔隙中迁移。当流体与填料介质问存在温度差时，就产生热交换。由于孔隙通道 中紧靠固体表面的流体要么相对填料静止要么做层流运动，所以固体一流体表面 热量输运的形式主要还是导热。另外，当流体到达一新区域后，该区域原有的部 分流体可能未及迁移，故新旧流体将发生混合，当两者温度不等时，也将发生热 量的交换。由于填料介质结构相当复杂，因此其内的渗流换热过程很难用类似于 简单通道内的对流换热来计算。 ( 3 ) 相变换热 湿分相变迁移时，必然伴随着热量的交换，从而引起多孔介质内部温度的重 新分布。填料中总热流无包括反应器内三相的导热热流及随液态水质流和水蒸 汽质流带入的热流。其表达式为： 五= 一屯v 丁+ 歹，k + 7 ，办， ( 2 2 ) 式中，k ，饥分别为液态水和水蒸汽的焓。 9 新江工业大学坝士研冤生学位论文 2 1 2 多孔介质的传质过程 与普通传质过程相同，按传质机理区分，多孔介质中的传质过程可以分为分 子质量扩散( 即由物质微观离子一如分子运动所导致的质量扩散) 和对流扩散( 即由流体整体运动所引起的质量扩散) 。 ( 1 ) 分子质量扩散 多孔介质空隙中的流体若处于静止状态，或横向跨过层流流线时，其质量传 递属分子扩散形式。分子扩散可以分三种类型：一般分子扩散、努特逊扩散 ( k n u d s e nd i f f u s i o n ) 和表面扩散【5 7 1 。当不存在表面扩散时，若多孔介质的孔隙 大于气体分子的平均自由程，则孔隙间的距离将不影响气体分子的扩散，此时， 多孔介质内部所含气体或液体的扩散形式为一般分子扩散。若压力较低或孔隙较 小( 孔隙尺寸比气体分子平均自由程小得多) ，气体分子同壁面的碰撞频率要比它 们相互之间的碰撞频率高得多，这时扩散表现出特殊的规律，与气体分子自由运 动差不多，这种扩散称为努特逊扩散。当被壁面所吸附的分子由于二维表面浓度 梯度的作用而沿表面进行迁移时，就产生了表面扩散。壁面的吸附力通常不是很 大，所以这种表面扩散效应甚微，可忽略不计。 ( 2 ) 对流传质 这是由于流体宏观运动而引起的质量传递。按宏观运动形成原因分析，多孔 介质中对流传质可以分为渗透传质、温度密度剃度引起的传质和相变引起的传 质。 渗透传质 渗透传质为毛细力、重力、外加压力等作用力所引起的对流传质。1 8 8 7 年 b r i g g s 将土壤水份形态分为重力水、毛管水和吸附水。重力水是指在重力作用下 可以自由移动的水分，毛管水是由毛细引力而保持在土壤颗粒之间的水分，吸附 水则是土壤颗粒从空气中吸收的水分。当含水量很低时，土壤水主要以吸附水形 态存在，这种形态水不易移动，但当含水量增加到一定程度时，水分主要以毛管 水形态存在，其运动受土壤结构制约，而当含水量继续增加接近饱和时，水分主 要表现为重力水形态，可以形成宏观流动。由毛细力引起的宏观对流传质称为毛 细对流传质。由压力梯度引起的对流传质称为渗流传质。 由温度密度梯度引起的传质 1 0 浙江工业大学硕士研究生学位论文 由于流体密度随温度而变，因此不同温度下的流体密度也不相同。当两者的 密度差p 达到一定值后，系统中将发生流体的宏观迁移。 相变引起的传质 由于温度的升降作用改变了气一液间水的蒸汽压平衡，使液态水不断蒸发或 水蒸汽不断冷凝，从而发生相变，引起多孔介质内部湿分的迁移。温度改变量越 大，其所引起的湿分迁移速率越大。当多孔介质内部存在产热或吸热反应时，即 存在内热源时，由于相变而引起的湿分迁移将成为湿迁移的主要形式之。 2 2 热质迁移模型研究 目前，多孔介质的热质迁移模型在总体上可分为参数模型、连续介质模型与 混合理论模型三类。 2 2 1 参数模型 ( 1 ) 单参数模型 这类模型大都只考虑内部湿分的影响，比如引入一个有效质扩散系数 d m 【5 8 , 5 9 1 ，同时反映湿分的扩散型传输、液体的毛细管势驱动和蒸汽的分子扩散。 这种方式不仅在应用上有很大局限性而且精度也不高，另外，把众多因素归入一 个物性，使得这一物性很难由实验来确定。 ( 2 ) 双参数模型 p h i l i p 和d ev r i e s 6 0 , 6 u 综合考虑了毛细作用、液体扩散和蒸发凝结作用，并把 多孔介质假定为连续介质，提出了以饱和度s 和温度t 为变量的双参数模型。其中， 液相质量流基于非饱和d a r c y 定律，蒸汽质量流基于s t e f a n 扩散定律。他们的主要 贡献在于把液态湿分方程和气态湿分方程有机的结合起来，把单参数推向双参 数，这是非饱和多孔介质研究的一大进步。不过，由于该模型把非饱和多孔介质 的具体特征反映到相应的当量物性中去，使这些物性系数很难得到f 确表述和测 定，从而使模型的实用性受到了限制，且双参数模型忽略了渗流以及局部温度变 化所引起的压力变化。其理论值与实验结果对比，只有部分是吻合的。 ( 3 ) 三参数模型 l u i k o v t 6 2 1 禾u 用不可逆热力学理论，考虑了压力的影响，提出了三参数模型， 该模型论证严密，理论上具有较强的通用性。然而该模型中7 个物性系数均难以 浙江_ - 1 2 业大学硕1 二研究生学位论文 确定，从而影响了它的实用性。e c k e r t 和w a n g 等嘟，删考虑了热质迁移特性的综合 影响，并假定物性为常数，得到了简化模型。雷树业等【6 5 】在多相渗流和蒸汽扩 散理论的基础上，提出了实用化的三参数模型，即以温度、空气压力、湿饱和度 为独立变量来描述非饱和多孔介质内的热质动态特性。该模型考虑了湿分迁移与 气相压力的变化，所用物性系数通用性良好，且易于测定，理论上该模型具有较 宽的适用范围。 2 2 2 连续介质模型 该模型主要基于连续介质理论的三大基本守恒定律，即质量、动量和能量守 恒定律，其方程个数以及反映的场物理量的个数均有所增加，模型的适应性增强。 ( 1 ) w h i t a k e r 模型 w h i t a k e r 【鲫在该领域作出了杰出贡献，他的多相输运理论为人们在多孔介质 中应用连续介质力学方法来建立基本守恒方程奠定了基础，尤其是他的体积平均 技术、局部热力学平衡条件、以及对粒径( 或平均孔径) 的划分，使得人们自然地 将连续体理论由单相推广到非饱和多孔介质这样的多相系统。体积平均方法自 w 1 1 i 眨出e r 和s 1 a t e d ，创立以来，已经成为从微观方程精确推导多孔介质流动与传热 宏观控制方程的基础【6 7 - 6 9 1 。其优点是：可以运用精密的数学方法，使宏观与微观 方程在整个系统的积分相等，而且所需的模型参数均由实验得到，不需要微观的 几何数据。但是解方程过程比较复杂。 ( 2 ) d a r c y 模型 在连续体模型中，动量方程是模型的核心，它直接反映并控制湿分的运动及 迁移特性。许多学者f 7 0 删均对此作了简化处理，即将饱和d a r e y 定律移植过来， 只是做一些简单的非饱和系数的修正，并引入一些力项，这样得到的方程称作 d a r c y 动量方程。但是，对于非饱和多孔