论文部分内容阅读
板式塔是应用最广泛的分离设备之一,大量应用于石油、化工、医药等分离过程。而塔板作为板式塔最重要的塔内件,其性能直接影响塔器设备的生产能力、能量消耗、设备的操作弹性以及产品的质量。由于板式塔设备的使用广泛、能耗大,即使塔板性能的微小提高也能带来巨大的节能效果。因此板式塔的研究和改进一直是化工生产节能降耗的关键领域之一。本文对导向筛板进行冷模实验,测定其流体力学与传质性能;采用计算流体力学模拟技术(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)对塔板上两相流场进行模拟,获得实验方法无法测定的微观数据和信息,基于模拟结果建立了一个数学物理方程求解导向孔的动量传递系数和塔板的阻力系数,并进一步提出了导向孔的定量设计模型。将该定量设计模型首次在实验设备和工业设备改造中进行应用;本文还将计算流体力学模拟技术应用于梯形浮阀的结构优化改进以及新型导向立体板填复合塔板的开发设计。离子液体被称为“绿色溶剂”,本文选用离子液体[BMIM][Tf2N]应用于混合气中酯类有机物的吸收过程,并对其热力学性质进行了深入研究。主要工作和结果汇总如下:1.流体力学实验:通过内径476mm的有机玻璃塔实验设备,采用空气-水物系分别对导向筛板、梯形浮阀塔板以及新型导向立体板填复合塔板进行冷模实验测试,研究它们的流体力学性能,包括干板压降、湿板压降、漏液、雾沫夹带以及清液层高度等。另外,利用富氧水-空气物系测定实验塔板的传质效率。2.CFD模型的建立:根据质量守恒和动量守恒建立基本的CFD模型,对板式塔的清液层高度实验数据进行拟合回归,获得新的平均气相体积分率表达式,将其结合Bennett关系式,从而得到相间动量传递项表达式。在CFD模拟过程中利用UDF对模型中两相间的动量传递项进行修改,使得CFD模型对不同板式塔类型具有更好的适应性。3.提出导向孔定量设计模型,利用修改后的CFD模型对导向筛板进行模拟计算。在塔板上方构建一个封闭区间,对该区间内的液相在x方向进行动量衡算,建立一个包含导向孔动量传递系数和塔板阻力系数的数学物理方程。结合CFD模拟获得的流体流动数据,求解该方程获得导向筛板的流体力学参数(导向孔动量传递系数和塔板阻力系数)。利用求解的流体力学参数,进一步提出了导向孔的定量设计模型。最后在实验设备和工业设备改造中验证模型的适用性和可靠性。4.对(固定)梯形浮阀塔板进行结构改进,为了减少或者消除浮阀阀片上方的液体返混和滞留现象,优化塔板上两相分布,提出了改进方案,并且对结构改进前后的塔板进行流体力学实验测定和CFD模拟研究。5.根据复合塔板的设计思路,将立体筛板和规整填料复合开发出新型导向立体板填复合塔板。规整填料作为立体帽罩的局部结构,设置在立体帽罩上方,促进两相流体相互作用,优化两相接触状态。对新型导向立体板填复合塔板进行流体力学实验测定,根据其结构特点提出该塔板的干板压降模型。利用CFD模拟技术对该塔板进行模拟计算,研究塔板上两相流动,为塔板的设计和进一步优化提供了基础数据和信息。6.利用COSMO-RS模型筛选出适用于酯类气体吸收过程的离子液体[BMIM][Tf2N]。结合量子化学计算,从微观分子水平上揭示了其分离机理。测定三种酯(乙酸乙酯、丙酸乙酯和乙酸丁酯)和[BMIM][Tf2N]二元混合物的汽液相平衡(Vapor-Liquid Equilibria,简称 VLE)数据,与 UNIFAC-Lei 模型的计算结果进行比较。以离子液体[BMIM][Tf2N]作为吸收剂,进行了吸收实验,并将UNIFAC-Lei模型参数以及离子液体物性参数输入软件Aspen plus进行吸收过程的模拟。此外,通过系统地研究了离子液体[EMIM][BF4]对甲醇和甲缩醛的吸收。