文摘
1。介绍
结构化的包装是由波纹金属或塑料薄膜与反对并排排列通道方向。通道是面向±角<我><我>β
结构化的填充柱的传质速率强烈依赖于有效的界面区域的床上。在大多数情况下,有效的传质表面的几何表面积不同于表由于水力条件的影响和物理交互影响液体的扩散在床单上。
许多理论,预测半经验的,经验公式的有效界面面积结构包装已经在文献中报道。这些模型开发不同的包装使用物理测量方法和各种工艺条件如electroresistivity和光的传播。只有少数研究人员报道实际界面领域有限类型的结构化包装(<一个href="#B3">3一个>]。大部分的蒸馏数据使用的相关性在文献中已经报道在全回流条件下提取。因此,液体和气体速度的影响不能分开研究可用的数据。在一些报道模式,没有明确的影响气体速度,只有液相效应被认为包括表面润湿的影响。只有极少数作品考虑气体加载的结果(<一个href="#B4">4一个>,
填料表面的润湿过程相当复杂,不是完全理解。近年来,计算流体动力学(CFD)已经成为一个有用的工具来分析多相流在不同的工业应用。特别是,CFD提供所需的能力来减少大量的实验来描述内的流型复杂的几何图形,如结构化包装;因此,它降低了设计所需的设备的成本。
有很多计算机模拟流动的结构化的包装。模拟液相流的流体动力学的结构化的包装满了催化剂颗粒,Van Gulijk [<一个href="#B7">7一个>)使用三角巧克力模型,简化了多相流单相的渠道,和评价的横向分散结构填充床。范Baten et al。<一个href="#B8">8一个>, 总之,一些研究已经在现有的文献报道,利用CFD技术评估有效的地区结构包装虽然大多数的研究都局限于预测压降和使用2 d模型两相流模拟。此外,液膜厚度在2 d和3 d框架研究很少。在这项研究中,一个3 d计算框架被考虑为域内多相流动两层的最大元素的结构化包装。有效面积的评估是基于使用受到的液膜厚度的3 d仿真方法。逆流运动空气和水的气体和液体阶段,分别进行了分析,并有效的区域,液体滞留,液体和气体速度和液膜厚度进行了评估。2 d模型评估研究液膜厚度除了3 d计算域。
2。数值模拟
接口的跟踪完成细胞的体积分数不同于0或1。如果完全注满一个阶段一个细胞,在细胞内相的体积分数等于团结(<年代vg height="10.85" id="M11" style="vertical-align:-0.1254pt;width:36.137501px;" version="1.1" viewbox="0 0 36.137501 10.85" width="36.137501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
在目前的研究中,传质方面被忽视(非混相水和空气之间的阶段<一个href="#B18">18一个>,
CFD模拟的一个重要部分是使用一个合适的湍流模型。在目前的研究中,基于以前的工作(<一个href="#B21">21一个>]和CFD模型Khosravi Nikou和Ehsani<一个href="#B17">17一个>模拟一个结构化的包装),声波测井模型(基线<我>k- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - 通常,连续两次迭代之间的相对误差是指定使用收敛性判据的10<年代up>−4秒up>对于每一个按比例缩小的剩余组件。值得一提的可能所需计算时间为每个3 d模拟运行,大约6 - 7天,这个时间大约是20 - 25小时每2 d仿真运行在奔腾4 CPU上运行4 GB的RAM的四核3.2 GHz。
对当前模拟,阶段的空气和水。假定为牛顿流体,等温,和不可压缩;因此,它们的属性保持不变。非稳定态条件下进行计算,0.002秒的时间步直到到达pseudosteady状态。Pseudosteady条件成立时,在网点不改变质量流率。各个阶段的物理性质和几何特征用于模拟表中列出<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/tab1/" target="_blank">1一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/tab2/" target="_blank">2一个>。
网格解决方案的独立测试通过使用几种不同网格大小。表<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/tab3/" target="_blank">3一个>显示了预测液膜厚度使用各种网格大小。这个表显示,当细网格使用预测的液膜厚度降低。在粗网格,液膜厚度预测细和介质网格大致接近。细网格上的仿真运行时间需要大量的CPU时间。因此,进行模拟中网格计算六面体的细胞总数的1315200,22100年和17280年的3 d和2 d框架2 Gempak苏尔寿BX以及二维建模,分别。
研究液膜形成的包装在一个二维的计算框架,罗查的实验装置等。<一个href="#B22">22一个>和赵等。<一个href="#B23">23一个>]在Gempak 2 a和苏尔寿BX包装,分别使用。在2 d域,横截面的包装频道获得当两个波形之间的管板垂直切割。
二维两相流模拟(罗查et al。<一个href="#B22">22一个>和赵等。<一个href="#B23">23一个>]),液体和气体入口区域定义了统一的入口速度边界条件。液体和气体的网点与流出边界条件的定义。计算域被认为是最初充满空气,和水的初始体积分数设置为零。在墙上,气相和液相的无滑动边界条件是根据以前的作品。的静态接触角<年代vg height="13.7375" id="M17" style="vertical-align:-2.34499pt;width:47.537498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.537498 13.7375" width="47.537498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
提出的灌溉压降也罗查et al。<一个href="#B22">22一个>),基于一个通用的通道模型<年代pan class="equation" id="EEq7">
CFD结果与相应的实验数据和SRP模型结果。图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig2/" target="_blank">2一个>显示了预测干压滴CFD工具和SRP模型<我>F因素,<年代vg height="11.05" id="M22" style="vertical-align:-3.24037pt;width:16.4px;" version="1.1" viewbox="0 0 16.4 11.05" width="16.4" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig3/" target="_blank">3一个>描绘了预测灌溉压力滴CFD工具和SRP模型<我>F因素在结构化的包装。实验数据的罗查et al。<一个href="#B22">22一个>)再次复制在这个图与SRP模型预测和CFD结果。在这个图中,我们可以看到SRP模型高估了中的湿压降<我>F因素高于3.5米/秒(公斤/米<年代up>3秒up>)<年代up>0.5秒up>和预测的最好的结果在较低的范围内<我>F因素。然而,CFD结果显示相同的趋势与实验数据尤其是更高<我>F因素。通过洪水地区CFD与SRP模型预测相比,更好的结果。一般来说,在含气液两相流压降互动增加是由于流动方向的变化,气气相互作用。因此,模型预测可以接受的结果的干燥和灌溉压力下降。因此,当前的模型可以用来检查其他水动力参数的行为的结构化的包装。
图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig4/" target="_blank">4一个>比较了CFD结果预测有效界面面积的比值填料表面积(<年代vg height="16.6" id="M28" style="vertical-align:-4.74141pt;width:31.625px;" version="1.1" viewbox="0 0 31.625 16.6" width="31.625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
仿真结果表明,在预压区,有效面积是一个薄弱的气体流速的函数。这是由于气相和液相之间的弱相互作用。可以看出,增加表面气体速度、包装的有效面积增加,导致相应的传质速率增加。在气体流量系数3.68 m / s(公斤/米<年代up>3秒up>),有效面积等于填料表面积。另一方面,更高的气体速度增加液体流动的不稳定性,导致更高的有效界面面积。Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>)相关预测有效面积的增加和显示与CFD结果吻合很好。我们可以看到在图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig4/" target="_blank">4一个>能力高于3.25,Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>overpredicts]相关的有效面积与CFD结果进行比较。也看到,计算曲线的斜率的Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>相关性增加突然因为实验耽误这种相关性反映间接气体速度的效果。 因为它是图所示<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig4/" target="_blank">4一个>计算部分区域,<年代vg height="16.6" id="M30" style="vertical-align:-4.74141pt;width:31.625px;" version="1.1" viewbox="0 0 31.625 16.6" width="31.625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
液体包装表面的分布是一个复杂的现象。图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig5/" target="_blank">5一个>说明制波纹板上的液体分布区域。乾湿斑的存在都在包装表面明显从这个图。这不仅图表明,液体流动的通道也已提供但流入其他渠道。即液体与相邻流和混合包装表面被一层薄薄的液体覆盖层。
在这一步中,层流条件与假设气相不流包装。因此,气相被认为是停滞不前的零速度和不影响液体流动。这种假设可能是一个合理的近似由于气流开始有小包装液体流动的影响。
填料塔的效率很大程度上取决于包装内液体的流动行为。图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig6/" target="_blank">6一个>表明CFD结果之间的比较与Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>)相关性对液体负荷。这幅图显示了通过增加液体负荷,有效面积增加Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>)相关性以及仿真结果。当整个表面液膜覆盖,有效面积(<年代vg height="11.05" id="M33" style="vertical-align:-3.2316pt;width:13.4625px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.4625 11.05" width="13.4625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
的可能性<年代vg height="16.6" id="M34" style="vertical-align:-4.74141pt;width:31.625px;" version="1.1" viewbox="0 0 31.625 16.6" width="31.625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>)模型预测增加有效面积增加液体加载。可以看出,模型是在良好的协议与CFD结果特别是在中间范围的液体载荷。
由于气流速度是假定为零,液相形成薄膜在包装表面向下流动。因此,有效面积就等于填料表面积。模拟的结果显示在图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig6/" target="_blank">6一个>还表明,流速的109.8米<年代up>3秒up>/ m<年代up>2秒up>h,当<年代vg height="12.925" id="M37" style="vertical-align:-4.74141pt;width:46.662498px;" version="1.1" viewbox="0 0 46.662498 12.925" width="46.662498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
作为一个重要的结果,Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>)模型,推导出基于几个参数,如液体贮存价值、几何参数和物理特性的气体和液体阶段,准确预测界面区域没有引入任何可调参数。正如之前提到的,它可以强调Brunazzi et al。<一个href="#B25">25一个>)模型是独立于包装类型。
一些研究人员已经研究了不同结构的有效界面面积包装通过实验和使用一些发表实证模型(<一个href="#B28">28一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - 图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig7/" target="_blank">7一个>显示了预测液膜流动在飞机上整个包装Gempak 2结构化元素包装。的液体流过波纹板的边长频道,混合,在两个表的接触点重新分配。混合点,膜厚度增加和减少定期约,由于液体流动方向的突然改变,与相邻流混合液体。此外,液体在图的分布<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig7/" target="_blank">7一个>在玛鲁和新<一个href="#B16">16一个>)是对称的轴向方向注射点。
在第二组研究中,实验条件的罗查et al。<一个href="#B22">22一个>2]Gempak包装模拟。液体体积分数计算计数器的2 d模型Gempak a和苏尔寿BX如图2<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig9/" target="_blank">9一个>。这里的液体速度和<我>F因素分别是0.007 m / s, 2.2 m / s(公斤/米<年代up>3秒up>)<年代up>0.5秒up>。从这个图上的液体薄膜包装表面清晰可见,不同的厚度。膜厚度的不均匀性也可以观察到三维模型的结果(图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig7/" target="_blank">7一个>)。图<一个href="//www.newsama.com/journals/jam/2012/917650/fig9/" target="_blank">9一个>然而,表明液膜厚度在2 Gempak包装苏尔寿BX相比更为统一。也见过液膜厚在十字路口的盘子和随距离而减小。此外,液膜厚度在2 Gempak包装比苏尔寿BX更薄。短号尤其如此。当包装的尺寸变得更大,2 Gempak、液体厚度减少为一个常数液体负荷由于包装表面覆盖广泛的液相。这种行为是合理的;由于包装的尺寸会影响液膜厚度。
研究填料表面的液膜流动的CFD模拟可能导致更好的理解的作用有效的参数对气液传质。包装表面液膜形成的过程,详细研究了影响液膜厚度和参数进行了讨论。表明,结构化的两张包装内,液膜的最大厚度是表的接触点附近的液体在波纹表面重新分配。这种行为是观察到的2 d和3 d建模。CFD显示包装的尺寸可能会影响液膜厚度。此外,考虑到均匀的液膜厚度,努塞尔特假设在结构化的包装是不可接受的。这个问题在2 d和3 d建模。
z Olujic, m . behren l·科利,a . Paglianti”预测的效率波纹板规整填料比表面积大,”<我>化学和生化工程季度我>,18卷,不。2、89 - 96年,2004页。视图: e . Brunazzi a Paglianti, l . Petarca”吸收列配备结构包装设计”,<我>Ch我mica &工业我>卷,78年,第467 - 459页,1996年。视图: 谢蒂和r . l .山丘”基本液体流相关性的计算设计参数要求包装,”<我>工业化学与工程化学研究我>,36卷,不。3、771 - 783年,1997页。视图: r·h·Weiland k . r . Ahlgren, m·埃文斯“传质特性的一些结构化的包装。”<我>工业化学与工程化学研究我>,32卷,不。7,1411 - 1418年,1993页。视图: 徐z . p . a . Afacan, k . t .壮族“预测列包含结构化的包装,包装质量传递”<我>化学工程的研究和设计我>,卷78,不。1,第98 - 91页,2000。视图: s Shojaee s . h . Hosseini a . Rafati萨利赫和g·艾哈迈迪,“预测有效面积的结构化包装通过CFD,”<我>工业化学与工程化学研究我>,50卷,第10842 - 10833页,2011年。视图: c . Van Gulijk”,利用计算流体动力学计算横向分散在一个结构化的填充床,“<我>电脑和化学工程我>,22卷,不。1,S767-S770, 1998页。视图: ,j·m·范·Baten j -艾伦伯格和R·克里希纳“液相内的径向和轴向色散KATAPAK-S (R)结构:实验和CFD模拟,”<我>化学工程科学我>卷,56号3、813 - 821年,2001页。视图: j . m . van Baten和r·克里希纳”气体和液相传质内KATAPAK-S结构采用CFD模拟,研究”<我>化学工程科学我>卷,57号9日,第1536 - 1531页,2002年。视图: c . f . Petre f . Larachi Iliuta,和b . p . a . Grandjean”通过结构化填料压降:分解到贡献机制CFD建模、”<我>化学工程科学我>,卷。58岁的没有。1,第177 - 163页,2003。视图: f . Larachi c . f . Petre Iliuta,和b . Grandjean“裁剪结构填料的压降通过CFD模拟,”<我>化学工程和处理我>,42卷,不。7,535 - 541年,2003页。视图: b . Szulczewska i Zbicinski, a . Gorak“液体流结构化包装:CFD仿真和实验研究中,“<我>化学工程与技术我>,26卷,不。5,580 - 584年,2003页。视图: l . Raynal c·波伊尔,j . p . Ballaguet”持液量和压降的决心与CFD模拟结构包装,”<我>加拿大化学工程杂志》上我>,卷82,不。5,871 - 879年,2004页。视图: a . Ataki h·j·巴特,“实验和CFD模拟研究元素与填料的润湿液体,“<我>化学工程与技术我>卷,29号3、336 - 347年,2006页。视图: m . Haghshenas胭脂,m . Zivdar r·拉希米et al .,“传质效率和压降的CFD模拟在一个结构化的蒸馏塔,”<我>化学工程与技术我>,30卷,不。7,854 - 861年,2007页。视图: 玛鲁和d .新“两相流结构化包装:建模和计算在宏观范围内,“<我>一个IChE杂志我>,54卷,不。3、614 - 626年,2008页。视图: m . r . Khosravi Nikou和m . r . Ehsani湍流模型应用CFD模拟的流体力学,传热传质以结构化的包装,”<我>国际交流在传热传质我>,35卷,不。9日,第1219 - 1211页,2008年。视图: j·费尔南德斯,p . c .摄影记者,j·p·b·莫塔和e . Saatdjian”应用CFD研究超临界流体萃取与结构化包装:干压降计算,”<我>《超临界流体我>卷,47号1,17-24,2008页。视图: j·费尔南德斯,p . f .葡京,p . c .摄影记者,j·p·b·莫塔和e . Saatdjian”应用CFD研究超临界流体萃取与结构化包装:湿压降计算,”<我>《超临界流体我>,50卷,不。1,第68 - 61页,2009。视图: j . Brackbill,“连续建模表面张力的方法,”<我>计算物理学杂志我>,卷100,不。2、335 - 354年,1992页。视图: a . Rafati萨利赫s . h . Hosseini s Shojaee g·艾哈迈迪,“CFD研究752年mellapakplus压降和增加产能。Y结构化包装。”<我>化学工程与技术我>34卷,第1412 - 1402页,2011年。视图: j . a .罗查j·l·布拉沃和j . r .公平”,包含结构化包装蒸馏塔:一个全面的模型的性能。1。液压模型”,<我>工业化学与工程化学研究我>,32卷,不。4、641 - 651年,1993页。视图: 郑胜耀赵、李y y和s . j .金正日“现代包装结构的特点,研究”<我>韩国化学工程杂志》上我>,12卷,不。3、313 - 319年,1995页。视图: 即Iliuta和f . Larachi机械模型structured-packing-containing列:灌溉压力下降,持液量,和包装部分湿地区,”<我>工业化学与工程化学研究我>,40卷,不。23日,第5146 - 5140页,2001年。视图: e . Brunazzi g·纳尔迪尼,a . Paglianti和l . Petarca”界面面积Mellapak包装:吸收1,1,1-trichloroethane Genosorb 300”<我>化学工程与技术我>,18卷,不。4、248 - 255年,1995页。视图: m·亨利克·德·布里托,冯·Stockar a·梅内德斯bangert p . Bomio和m . Laso”有效传质面积在一个试验工厂列配备结构包装和陶瓷戒指,“<我>工业化学与工程化学研究我>,33卷,不。3、647 - 656年,1994页。视图: r·e·蔡a . f . Seibert r·b·埃尔德里奇·g·t·罗谢尔,“影响粘度和表面张力的有效传质面积结构包装,”<我>能源Procedia我>1卷,第1204 - 1197页,2009年。视图: s . Aferka万岁,e . Brunazzi p . Marchot m . Crine和d . Toye“层析测量液体举起和有效界面面积分布在一列挤满了高性能结构化包装,”<我>化学工程科学我>,卷66,不。14日,第3422 - 3413页,2011年。视图: x g . g .问:Wang元,k . t . Yu”计算方法有效的界面面积结构包装蒸馏塔在高压力下,“<我>化学工程和处理我>,45卷,不。8,691 - 697年,2006页。视图: j . r .公平,a . f . Seibert m . behren·p·萨拉和z . Olujic“结构化包装performance-experimental评价两种预测模型,”<我>工业化学与工程化学研究我>,39卷,不。6,1788 - 1796年,2000页。视图:2.2。域和网格的安排
2.3。初始和边界条件
3所示。结果与讨论
3.2。有效面积
3.3。液体流动模式
3.4。液膜厚度
4所示。结论
命名法
一个我>:
: 有效传质面积,m<年代up>2秒up>/ m<年代up>3秒up>
: 有效的液体流动的角度
: 特定区域的包装,m<年代up>2秒up>/ m<年代up>3秒up>
b我>:
B我>:
: 当量直径的流动通道
: 水力直径的包装所定义的<年代vg height="16.6" id="M45" style="vertical-align:-4.74141pt;width:33.662498px;" version="1.1" viewbox="0 0 33.662498 16.6" width="33.662498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
: 额外的部队在navier - stokes方程,N
: 天然气产能的因素,<年代vg height="11.05" id="M48" style="vertical-align:-3.24037pt;width:16.4px;" version="1.1" viewbox="0 0 16.4 11.05" width="16.4" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
g我>:
h我>:
: 液体滞留,
P我>:
年代我>:
t我>:
u我>:
: 表面的气体速度,m / s
: 速度矢量
无量纲数我>秒pan>
Z: 包装高度,m。
希腊字母我>秒pan>
: 弗劳德数
: 雷诺数
: 韦伯数
下标我>秒pan>
α我>我>: 体积分数,
γ我>我>: 静态接触角、学位
δ我>我>: 液膜厚度,毫米
ε我>我>: 包装空隙率,
θ我>我>: 起皱角(的水平),学位
μ我>我>: 粘度、Pa授予
: 液体的运动粘度,m<年代up>2秒up>/秒
: 液体密度,公斤/米<年代up>3秒up>
σ我>我>: 表面张力,N / m
Ω我>:
G我>:
我我>:
l我>:
n我>: 引用
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