發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 23:31

　　 工業(yè)氣體廣泛應(yīng)用于各種加工制造行業(yè),其中氧氣和氮?dú)鉃槭褂昧孔畲蟆��?yīng)用最廣泛的空氣產(chǎn)品。目前氧氮?dú)怏w的制備多通過(guò)低溫精餾法來(lái)進(jìn)行,該方法具有產(chǎn)品純度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),但因氧氮沸點(diǎn)接近,存在分離能耗高、設(shè)備投資成本高等問(wèn)題,制約著制造業(yè)生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低。目前通過(guò)規(guī)整填料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,低溫精餾效率已得到很大的提高,但精餾過(guò)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(duì)揮發(fā)度較低,因此空分精餾對(duì)相間傳質(zhì)性能的要求比石化等行業(yè)高。當(dāng)下低溫精餾效率的提升主要有改進(jìn)設(shè)備及內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流程設(shè)計(jì)及耦合其他節(jié)能技術(shù)等方式,通過(guò)傳統(tǒng)的增加比表面積的方法來(lái)提高傳質(zhì)的效率會(huì)使得壓降大幅增加,而要在有限的塔徑、壓降下強(qiáng)化精餾過(guò)程核心的氣液熱質(zhì)傳遞過(guò)程,提高系統(tǒng)的效率,則需要進(jìn)一步解決背后涉及的低溫精餾過(guò)程鼓泡、降膜流動(dòng)與傳質(zhì)機(jī)理、新型精餾強(qiáng)化機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題�；�于本課題組提出的磁場(chǎng)輔助低溫精餾新方法,本文探索了磁場(chǎng)對(duì)于氣液動(dòng)量及熱質(zhì)傳遞過(guò)程中潛在的強(qiáng)化突破點(diǎn),從理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫娣謩e揭示了磁場(chǎng)對(duì)于氣液兩相傳輸過(guò)程的作用機(jī)理,開(kāi)展了以下三方面工作:(1)通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算研究了線圈電磁場(chǎng)構(gòu)建的非均勻磁場(chǎng)中,氣泡由靜止開(kāi)始在浮力主導(dǎo)下的運(yùn)動(dòng)及傳質(zhì)過(guò)程,揭示了磁場(chǎng)對(duì)氣液界面運(yùn)動(dòng)的控制作用�？辗志�餾塔中,塔板效率的計(jì)算依賴(lài)于氣泡的大小、氣泡在液體中的停留時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。氣泡穿過(guò)線圈電磁場(chǎng)構(gòu)建的磁場(chǎng)區(qū)域時(shí),當(dāng)磁場(chǎng)力方向與重力方向相反時(shí),在磁場(chǎng)中氣上升速度得到抑制,磁場(chǎng)加大后會(huì)停止上升甚至反向運(yùn)動(dòng)。在1 A電流形成的中心磁感應(yīng)強(qiáng)度0.193 T的磁場(chǎng)中,2.6 mm的氣泡運(yùn)動(dòng)至磁場(chǎng)中心位置的平均速度減緩了14%。當(dāng)磁場(chǎng)力方向與重力相同時(shí),氣泡加速上升,液相擾動(dòng)明顯增強(qiáng),使得氣泡振蕩增強(qiáng)。液氧在流場(chǎng)中形成的速度渦旋能夠加快液相中組分的擴(kuò)散,展現(xiàn)了磁場(chǎng)對(duì)組分傳遞的強(qiáng)化作用。(2)利用有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)磁場(chǎng)下二維流場(chǎng)中液氧-氧氣兩相鼓泡行為進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合模擬,揭示了液相環(huán)流對(duì)氣液界面的破碎效應(yīng)�？辗志�餾塔中,氣相和液相發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)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(dāng)流場(chǎng)中添加永磁體磁場(chǎng)后,永磁體邊緣的高梯度磁場(chǎng)引發(fā)多個(gè)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(shí),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(yùn)動(dòng)。環(huán)流流動(dòng)的方向也對(duì)氣體的運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生顯著影響,在流道底部液相由兩側(cè)向中心運(yùn)動(dòng),在氣相入口處匯合,提高了入口附近氣相速度。液相湍動(dòng)的增強(qiáng)使得氣液界面更容易破碎,在最大場(chǎng)強(qiáng)0.47 T的磁場(chǎng)中,進(jìn)氣速度0.1 m/s,當(dāng)氣相鼓泡0.3 s時(shí),流場(chǎng)內(nèi)的氣液接觸界面長(zhǎng)度達(dá)到無(wú)磁場(chǎng)的兩倍。改變環(huán)流的尺寸能夠增加其流動(dòng)性,同時(shí)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(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),獲得了液氮中氣泡群上升過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度與直徑分布。開(kāi)展了有無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)不同進(jìn)口流量下的氧氮?dú)庖簜髻|(zhì)實(shí)驗(yàn),獲得了磁場(chǎng)下小氣泡群的粒徑分布,揭示了磁場(chǎng)下氣液界面的破碎現(xiàn)象與傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)理。在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中的氣液兩相流動(dòng)及熱質(zhì)傳遞中,氣泡群的形態(tài)特征是判斷流型及預(yù)測(cè)傳質(zhì)效率的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的可視化圖像進(jìn)行分析,液氮中的氮?dú)馀荽蠖喾植荚?.74-2.67 mm之間,其分布滿(mǎn)足近似正態(tài)分布,有60%的氣泡直徑分布在1.22-1.93mm間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)液氮中氣泡由靜止開(kāi)始上升時(shí),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(jìn)一步開(kāi)展的有無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)不同進(jìn)口流量下的氧氮?dú)庖簜髻|(zhì)實(shí)驗(yàn)中,添加磁場(chǎng)后,氣泡粒徑變小、數(shù)量增多,當(dāng)進(jìn)口氧氣流量小于4 g/min時(shí),氣泡直徑分布峰值由[3.48,4.75]mm下降至[0.90,2.18]mm;當(dāng)進(jìn)口氧氣流量大于4g/min時(shí),氣泡直徑分布峰值由[1.25,2.13]mm下降至[0.37,1.25]mm。實(shí)驗(yàn)中存在最佳的進(jìn)口流量5 g/min,使得氣液傳質(zhì)時(shí)間最短,熱質(zhì)傳遞效率最高,施加磁場(chǎng)后,傳質(zhì)時(shí)間減少25%。實(shí)驗(yàn)中揭示的磁場(chǎng)下氣液界面的破碎現(xiàn)象與傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)理將為磁場(chǎng)輔助精餾技術(shù)進(jìn)一步研究與設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TQ116;TQ028.31
【部分圖文】：

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文6圖1-2塔板上氣液組分表達(dá)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(yīng)了單板上的組分傳質(zhì)進(jìn)行程度，其中使用最廣的為Murphree板效率，其表達(dá)為：氣相：Mg畈(1.3)液相：Ml畈(1.4)其中平衡濃度畈為離開(kāi)第n塊塔板的液相平均濃度所對(duì)應(yīng)的氣相平衡濃度，畈亦然�？偘逍�率計(jì)算整塔的理論塔板數(shù)與實(shí)際需要的塔板數(shù)之比，反應(yīng)塔的傳質(zhì)進(jìn)行程度：畈(1.5)其中為理論塔板數(shù)，為實(shí)際需要的塔板數(shù)。1.2.2塔板效率預(yù)測(cè)模型精餾塔板上發(fā)生傳質(zhì)過(guò)程不僅受氣液流動(dòng)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(yàn)關(guān)聯(lián)式都有其局限性，當(dāng)下的研究多集中于半理論半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)方法及基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的理論模型經(jīng)驗(yàn)修正法。對(duì)于研究全塔效率的研究者來(lái)說(shuō)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和機(jī)理進(jìn)行塔效率的估算是精餾塔設(shè)計(jì)中的主要方式。塔效率的計(jì)算基于對(duì)單層塔板效率的估算，板效率有多種預(yù)測(cè)方法，包括針對(duì)塔板上任意點(diǎn)的進(jìn)行預(yù)測(cè)的點(diǎn)效率法、針對(duì)理想狀況的整塊塔板的Murphree板效

緒論11的無(wú)量綱數(shù)Ga（/）以消除雷諾數(shù)Re因氣泡上升速度波動(dòng)帶來(lái)的影響，如圖1-3。因?yàn)閮上嗔鲃?dòng)中氣液界面的物性參數(shù)不連續(xù)，所以需對(duì)界面處進(jìn)行處理。捕捉氣泡運(yùn)動(dòng)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(duì)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(chǎng)中氣泡形狀與無(wú)量綱數(shù)的關(guān)系Fig.1-4Bubbleshaperegimewithdimensionlessnumberingravitationalmotion

緒論11的無(wú)量綱數(shù)Ga（/）以消除雷諾數(shù)Re因氣泡上升速度波動(dòng)帶來(lái)的影響，如圖1-3。因?yàn)閮上嗔鲃?dòng)中氣液界面的物性參數(shù)不連續(xù)，所以需對(duì)界面處進(jìn)行處理。捕捉氣泡運(yùn)動(dòng)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(duì)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(chǎng)中氣泡形狀與無(wú)量綱數(shù)的關(guān)系Fig.1-4Bubbleshaperegimewithdimensionlessnumberingravitationalmotion
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本文編號(hào)：2884070