本文以多喷嘴对置式煤气化技术中高温粗合成气的洗涤冷却装置—洗涤冷却室为背景,为对其结构进行优化设计,提高其热质同时传递效率和工业运行的稳定性,采用实验研究与模拟研究相结合的方法,对洗涤冷却室内垂直下降液膜的流动与气液两相间的传热传质过程进行了深入研究。(1)搭建了洗涤冷却室冷模实验装置,借助超声多普勒测速仪,对洗涤冷却室内由对置式洗涤冷却环分布形成的垂直下降液膜的厚度分布、表面波动特性和速度分布进行了研究。管内的液膜平均厚度在周向上分布不均,0°位置的液膜平均厚度最大,其余周向位置液膜较薄且厚度较为接近;在轴向流动方向上,液膜平均厚度分布趋于均匀。液膜雷诺数增大,液膜整体厚度有所增加,同时周向分布不均匀性加剧;当Re1≥1.53×104时,0°位置的液膜会因为局部厚度过大而发生破裂;气相雷诺数的变化对液膜平均厚度的影响较小。管内垂直向下流动的液膜处于高度湍动状态,液膜表面的波动状态较为复杂。在管中上段,相对标准偏差值随着液膜雷诺数增大而减小,在下段趋势发生改变;与正态分布相比,液膜厚度概率密度函数曲线的偏度值大于0,峰度值大于3;随着液膜雷诺数的增大,峰度值有所下降。液膜较薄区域的表面大波频率对液膜雷诺数变化较为敏感,气相的剪切作用使得液膜表面的大振幅波有所减少。液膜平均速度在周向上同样存在差异,0°位置液膜平均速度最大;随着液膜雷诺数增大,液膜整体速度呈增大趋势;对轴向液膜平均速度分布而言液膜雷诺数存在转折点,当液膜雷诺数小于该值时,液膜平均速度随轴向距离增加呈增加趋势,反之则呈减小趋势;当洗涤冷却环出口槽缝为3 mm时,其转折点液膜雷诺数接近1.73×104;洗涤冷却环出口槽缝宽度增大,该液膜雷诺数也有所增大。(2)在实验研究基础上,建立了实验室尺度洗涤冷却室的三维模型。模型成功预测了 0°位置局部液膜破裂的现象,模拟结果与实验结果较为吻合;管内液膜在周向上分布不均主要是洗涤冷却环入水口结构所致,洗涤冷却环出口的液膜存在指向0°位置的周向速度分量,使得该位置液膜厚度过大且易破裂;洗涤冷却环出口槽缝宽度为3 mm时,0°位置局部液膜破裂的起始液膜雷诺数为1.27×104。在冷态模型基础上耦合传热和传质过程建立了热态模型,模拟结果表明:液膜周向上的分布不均会对管内热质同时传递过程产生较大的影响,不同周向位置的温度分布存在差异;0°位置连续液膜的破裂使部分冷却水进入气相主体,其他周向位置液膜厚度变小,45°位置更易发生干壁现象,使冷却水不能有效保护洗涤冷却管,导致其局部受热损毁,不利于装置正常运行。(3)对改进的旋流型洗涤冷却环所形成的下降液膜进行了实验与模拟研究。旋流型洗涤冷却环形成的液膜存在同向周向速度分量,使得液膜在沿洗涤冷却管内壁向下流动的同时会旋转流动;液膜雷诺数增大,液膜的旋流程度也将增大,当液膜雷诺数为2.04×104时,至出口处液膜在周向上旋转接近360°。液膜的旋流降低了管内温度场周向上的差异性;与对置型洗涤冷却环相比,因液膜旋转流动,局部区域不再因液膜厚度过大而破裂,液膜整体厚度及周向均匀性有所提升,管内壁液膜的覆盖率高于同条件下对置型洗涤冷却环所形成液膜的覆盖率,即旋流型洗涤冷却环对垂直降膜的分布效果和抗干壁能力优于对置型洗涤冷却环。(4)在实验尺度洗涤冷却室实验和模拟研究的基础上,建立了工业尺度洗涤冷却室内流体流动和传热传质过程的数学模型。工业尺度洗涤冷却管内液膜在周向上同样分布不均,所形成的液膜在45°位置处过厚且易破裂,其他位置液膜厚度较小;0°位置更易发生干壁现象,不利于装置正常运行。合成气入口速度较低时轴向单位长度上热量传递较大,冷却水蒸发速率较快,入口处降温段长度较短,气相中水蒸气摩尔分率迅速达到较大值;当入口气速增大时,冷却水蒸发速率变慢,降温段延长;合成气入口速度由1 m/s增至5 m/s时,出口温度升高145 K,整个过程的热负荷有所提升,冷却水对合成气的降温效果变差。洗涤冷却室对冷却水入口速度和合成气温度变化的适应性较强,合成气入口速度变化对装置运行有较大影响。