發(fā)布時間：2020-11-14 23:31

　　 工業(yè)氣體廣泛應用于各種加工制造行業(yè),其中氧氣和氮氣為使用量最大、應用最廣泛的空氣產(chǎn)品。目前氧氮氣體的制備多通過低溫精餾法來進行,該方法具有產(chǎn)品純度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點,但因氧氮沸點接近,存在分離能耗高、設備投資成本高等問題,制約著制造業(yè)生產(chǎn)成本的進一步降低。目前通過規(guī)整填料的開發(fā)和應用,低溫精餾效率已得到很大的提高,但精餾過程的壓降與傳質(zhì)損失仍十分顯著,其能耗可占系統(tǒng)總能耗的30%-50%�？辗之a(chǎn)品氧氮的相對揮發(fā)度較低,因此空分精餾對相間傳質(zhì)性能的要求比石化等行業(yè)高。當下低溫精餾效率的提升主要有改進設備及內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流程設計及耦合其他節(jié)能技術(shù)等方式,通過傳統(tǒng)的增加比表面積的方法來提高傳質(zhì)的效率會使得壓降大幅增加,而要在有限的塔徑、壓降下強化精餾過程核心的氣液熱質(zhì)傳遞過程,提高系統(tǒng)的效率,則需要進一步解決背后涉及的低溫精餾過程鼓泡、降膜流動與傳質(zhì)機理、新型精餾強化機理等關(guān)鍵科學問題�；�于本課題組提出的磁場輔助低溫精餾新方法,本文探索了磁場對于氣液動量及熱質(zhì)傳遞過程中潛在的強化突破點,從理論模擬與實驗研究兩方面分別揭示了磁場對于氣液兩相傳輸過程的作用機理,開展了以下三方面工作:(1)通過有限元數(shù)值計算研究了線圈電磁場構(gòu)建的非均勻磁場中,氣泡由靜止開始在浮力主導下的運動及傳質(zhì)過程,揭示了磁場對氣液界面運動的控制作用�？辗志�餾塔中,塔板效率的計算依賴于氣泡的大小、氣泡在液體中的停留時間等關(guān)鍵參數(shù)。氣泡穿過線圈電磁場構(gòu)建的磁場區(qū)域時,當磁場力方向與重力方向相反時,在磁場中氣上升速度得到抑制,磁場加大后會停止上升甚至反向運動。在1 A電流形成的中心磁感應強度0.193 T的磁場中,2.6 mm的氣泡運動至磁場中心位置的平均速度減緩了14%。當磁場力方向與重力相同時,氣泡加速上升,液相擾動明顯增強,使得氣泡振蕩增強。液氧在流場中形成的速度渦旋能夠加快液相中組分的擴散,展現(xiàn)了磁場對組分傳遞的強化作用。(2)利用有限元數(shù)值計算方法對磁場下二維流場中液氧-氧氣兩相鼓泡行為進行了多物理場耦合模擬,揭示了液相環(huán)流對氣液界面的破碎效應�？辗志�餾塔中,氣相和液相發(fā)生質(zhì)量、動量和能量交換,氣相在液相中的分布形態(tài)及分布方式,氣液界面的融合與破碎等都是影響空分精餾效率的關(guān)鍵因素。當流場中添加永磁體磁場后,永磁體邊緣的高梯度磁場引發(fā)多個液相環(huán)流,環(huán)流中心出現(xiàn)低壓區(qū),氣體流路被改變的同時,部分氣體被卷入環(huán)流低壓區(qū)而滯留,部分氣體隨液相繞環(huán)流運動。環(huán)流流動的方向也對氣體的運動速度產(chǎn)生顯著影響,在流道底部液相由兩側(cè)向中心運動,在氣相入口處匯合,提高了入口附近氣相速度。液相湍動的增強使得氣液界面更容易破碎,在最大場強0.47 T的磁場中,進氣速度0.1 m/s,當氣相鼓泡0.3 s時,流場內(nèi)的氣液接觸界面長度達到無磁場的兩倍。改變環(huán)流的尺寸能夠增加其流動性,同時有望破壞近壁面的熱質(zhì)傳遞邊界層,提高熱質(zhì)傳遞效率。(3)基于低溫流動可視化實驗平臺,獲得了液氮中氣泡群上升過程運動速度與直徑分布。開展了有無磁場作用時不同進口流量下的氧氮氣液傳質(zhì)實驗,獲得了磁場下小氣泡群的粒徑分布,揭示了磁場下氣液界面的破碎現(xiàn)象與傳質(zhì)強化機理。在實際工業(yè)過程中的氣液兩相流動及熱質(zhì)傳遞中,氣泡群的形態(tài)特征是判斷流型及預測傳質(zhì)效率的基礎(chǔ)。通過對實驗中獲得的可視化圖像進行分析,液氮中的氮氣泡大多分布在0.74-2.67 mm之間,其分布滿足近似正態(tài)分布,有60%的氣泡直徑分布在1.22-1.93mm間。實驗發(fā)現(xiàn),當液氮中氣泡由靜止開始上升時,其速度主要分布在0.1-0.3 m/s之間,曳力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大。進一步開展的有無磁場作用時不同進口流量下的氧氮氣液傳質(zhì)實驗中,添加磁場后,氣泡粒徑變小、數(shù)量增多,當進口氧氣流量小于4 g/min時,氣泡直徑分布峰值由[3.48,4.75]mm下降至[0.90,2.18]mm;當進口氧氣流量大于4g/min時,氣泡直徑分布峰值由[1.25,2.13]mm下降至[0.37,1.25]mm。實驗中存在最佳的進口流量5 g/min,使得氣液傳質(zhì)時間最短,熱質(zhì)傳遞效率最高,施加磁場后,傳質(zhì)時間減少25%。實驗中揭示的磁場下氣液界面的破碎現(xiàn)象與傳質(zhì)強化機理將為磁場輔助精餾技術(shù)進一步研究與設計奠定理論基礎(chǔ)。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TQ116;TQ028.31
【部分圖文】：

浙江大學博士學位論文6圖1-2塔板上氣液組分表達Fig.1-2liquidandgasconcentrationexpressiononsieveplat板效率衡量了塔板上組分平均濃度與平衡濃度的關(guān)系，反應了單板上的組分傳質(zhì)進行程度，其中使用最廣的為Murphree板效率，其表達為：氣相：Mg畈(1.3)液相：Ml畈(1.4)其中平衡濃度畈為離開第n塊塔板的液相平均濃度所對應的氣相平衡濃度，畈亦然�？偘逍�率計算整塔的理論塔板數(shù)與實際需要的塔板數(shù)之比，反應塔的傳質(zhì)進行程度：畈(1.5)其中為理論塔板數(shù)，為實際需要的塔板數(shù)。1.2.2塔板效率預測模型精餾塔板上發(fā)生傳質(zhì)過程不僅受氣液流動的影響，還與塔板的尺寸、氣液通量、濃度分布、操作壓力等因素有關(guān)。由于不同物系的分離所用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式都有其局限性，當下的研究多集中于半理論半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)方法及基于計算流體力學（CFD）的理論模型經(jīng)驗修正法。對于研究全塔效率的研究者來說，結(jié)合經(jīng)驗和機理進行塔效率的估算是精餾塔設計中的主要方式。塔效率的計算基于對單層塔板效率的估算，板效率有多種預測方法，包括針對塔板上任意點的進行預測的點效率法、針對理想狀況的整塊塔板的Murphree板效

緒論11的無量綱數(shù)Ga（/）以消除雷諾數(shù)Re因氣泡上升速度波動帶來的影響，如圖1-3。因為兩相流動中氣液界面的物性參數(shù)不連續(xù)，所以需對界面處進行處理。捕捉氣泡運動中的氣液界面的數(shù)值方法主要有VOF法、levelset法等。其中l(wèi)evelset法在1988年由Oscher[34]等人提出，對界面的捕捉有良好的連續(xù)性和光滑性。圖1-3不同流型下氣泡的形狀Fig.1-3Bubbleshapeindifferentregime圖1-4重力場中氣泡形狀與無量綱數(shù)的關(guān)系Fig.1-4Bubbleshaperegimewithdimensionlessnumberingravitationalmotion

緒論11的無量綱數(shù)Ga（/）以消除雷諾數(shù)Re因氣泡上升速度波動帶來的影響，如圖1-3。因為兩相流動中氣液界面的物性參數(shù)不連續(xù)，所以需對界面處進行處理。捕捉氣泡運動中的氣液界面的數(shù)值方法主要有VOF法、levelset法等。其中l(wèi)evelset法在1988年由Oscher[34]等人提出，對界面的捕捉有良好的連續(xù)性和光滑性。圖1-3不同流型下氣泡的形狀Fig.1-3Bubbleshapeindifferentregime圖1-4重力場中氣泡形狀與無量綱數(shù)的關(guān)系Fig.1-4Bubbleshaperegimewithdimensionlessnumberingravitationalmotion
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本文編號：2884070