焦炉煤气脱硫吸收塔内两相流场计算流体力学数值模拟

论文摘要

在水利、热能等工业工程学科中,多相流是一种非常重要的流动现象,在反应、吸收等化工单元操作中也常常出现,占有重要的地位。对于一些简单的流动情况,可通过目前的经验或半经验关联式进行预测。但对于大多数化工过程,这些关系式并不能呈现出整体流动效果。本文以商业化软件FLUENT作为计算平台,将计算流体力学(CFD)与两相流流动结合起来预测复杂吸收塔内的两相流动情况。首先,利用CFD技术对全塔内的单相流体流动及两相流动情况进行模拟。计算是在三维体系中展开,在满足收敛以及质量守恒条件后,得到了稳态条件下的全塔单相流场,并引入欧拉多相模型和多孔介质模型,对单相流含填料流场和两相流场进行了计算,根据计算结果对吸收塔的上升管、进气管等结构进行优化改进。根据前面提出的改进建议对吸收塔模型进行优化,并将全塔割分为上下两段,分别重新建立计算模型。并在全塔结果的基础上,对半塔中的单相流无填料状态进行了四种网格尺寸下的计算。为平衡计算效率和计算精度,根据湍流强度、湍流耗散率等流场参数,确定了全塔的网格尺寸,进一步在该网格下计算得到单相流场(无填料状态和含填料状态)及两相流流场。计算结果表明,对全塔的割分可以消除两段塔在迭代未收敛时的互相干扰,并且在工作站计算能力有限的条件下有效提高计算效率。在此基础上,考察了上段塔中气速对塔内流动情况的影响,结果表明,当塔内气速高于液泛点时,气液两相速度差加剧,湍流过于强烈,不利于两相间混合和传质。由于本文中计算对象尚无实验数据可供对照,因此,本文在最后部分对之前所确定的网格进行了独立性验证,比较了下段塔的两种网格数目(26.8万和半塔25.9万)下的单相流场和两相流场。由两次的预测结果比较可知,之前所确定的网格具有很好的独立性,已达到求解多相流所需的精度,无需进行加密处理。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景、目标及意义
• 1.2 论文内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 焦炉气脱硫技术
• 2.1.1 焦炉气脱硫技术概况
• 2.1.2 真空碳酸盐法脱硫的工艺原理
• 2.1.3 填料塔在焦炉气脱硫中的应用
• 2.2 计算流体力学发展概况及其应用
• 2.2.1 CFD 发展概况及在化工中的应用
• 2.2.2 CFD 常用的数值方法
• 2.2.3 CFD 商业软件概述
• 2.2.4 计算流体力学的工作步骤
• 2.3 国内外研究进展
• 第三章 吸收塔建模
• 3.1 模型基本假设
• 3.2 CFD 基本方程
• 3.2.1 连续性方程
• 3.2.2 动量方程
• 3.2.3 湍流方程
• 3.3 两相流模型
• 3.3.1 欧拉－欧拉模型
• 3.3.2 湍流多相模型
• 3.4 填料模型、边界条件及其它设定
• 3.4.1 填料模型
• 3.4.2 边界条件
• 3.4.3 液滴尺寸
• 第四章 全塔计算结果及讨论
• 4.1 建立物理模型
• 4.2 单相流（气相）湍动场
• 4.2.1 无填料状态
• 4.2.2 有填料状态
• 4.3 多相流湍动场
• 4.4 小结
• 第五章 分段计算结果及讨论
• 5.1 建立物理模型
• 5.2 划分网格
• 5.3 单相流（气相）湍动场
• 5.3.1 无填料状态
• 5.3.2 有填料状态
• 5.4 多相流湍动场
• 5.5 操作参数考察
• 5.5.1 泛点气速估算
• 5.5.2 单相流（气相）湍动场
• 5.5.3 多相湍流场及浓度场
• 5.6 小结
• 第六章 网格独立性验证
• 6.1 网格的独立性
• 6.2 单相流（气相）湍动场
• 6.2.1 无填料状态
• 6.2.2 有填料状态
• 6.3 多相流湍动场
• 6.4 小结
• 第七章 结论及建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 附录B 计算参数及边界条件设定说明
• 致谢