基于气-液传质强化的湿法烟气脱硫CFD模拟研究

针对燃煤电厂烟气脱硫过程中,高硫煤燃烧产生的高含硫烟气高效脱硫难题,通过计算流体力学(CFD)开展了钙法烟气SO_(2)高效脱除研究,提出了基于塔内筛板构件及喷淋系统优化的多手段耦合增效方法。建立了宏观脱硫塔尺度下涵盖喷淋吸收-筛板鼓泡吸收的SO_(2)多形式吸收脱除耦合模型,获得了浆液下落过程中的pH及SO_(2)吸收速率变化规律,并研究了湍流构件对脱硫塔内的气液混合流动、相内相间传质、浆液内部化学反应等过程的影响机制。探究了筛板对于脱硫塔脱除效率的强化机制,并进一步开展了筛板布置位置优化设计研究。同时,针对脱硫塔喷淋系统开展了优化设计研究,通过对比研究获得了喷淋系统优化后布置方案。基于所提出的脱硫塔多手段耦合增效方法,研究了包括液气比、浆液粒径及入口烟气SO_(2)浓度等不同参数影响下的脱硫塔SO_(2)脱除性能,发现通过塔内筛板构件及喷淋系统优化多手段协同增效后,可实现不同工况下脱硫塔SO_(2)脱除效率提升3%~8%。

生物反应器气液传质强化的研究进展

生物反应器是生物过程工程的核心设备,应用广泛,已实现了巨大的经济价值,但仍然存在较低的气液传质效率,这是降低生物转化效率的关键因素。本文综述了生物反应器中基于溶质渗透模型的传质机制及常用的体积传质系数(k_(L)a)测量方法,剖析了气含率(Φ)、气泡直径(d B)、扩散系数(D_(L))、湍动能耗散率(ε)、液相密度(ρ)、流体黏度(μ)以及表面张力(σ)等因素对k_(L)a的影响机制,论述了最新的气液传质强化方法及应用进展,以期为生物反应器的气液传质强化提供研究思路。

膜蒸馏传质强化研究

以纯水和ＮａＣｌ水溶液为实验物系，采用聚丙烯中空纤维微孔膜分别进行了渗透膜蒸馏、纯水介质膜蒸馏和盐水强化膜蒸馏实验研究，考察了盐水浓度和操作温度对膜蒸馏传质通量和热效率的影响，并对３种形式膜蒸馏的实验数据进行了对比．结果表明，盐水强化措施可以有效地提高膜蒸馏传质通量，并使过程的热效率显著提高．

好氧处理工艺传质强化的机理与应用研究

依据惯性效应理论研究了传统污水好氧处理工艺传质强化过程 .研究表明 ,提高传统工艺曝气均匀度和控制多相物系中微涡漩的离心惯性效应 ,可有效促进物相接触传质和相界面更替 ,为活性污泥 (或生物膜 )有机底质与氧气进行生化反应提供良好动力条件 ,从而提高反应效率 ,缩短生化反应历程 .该工艺在试验及实际工程应用中氧利用率最高可达 4 8% ,COD容积负荷 8 1— 9 0kg (m3 ·d) .在处理屠宰废水的实际应用中 ,当气水比为 12∶1,水力停留时间 4h ,进水CODCr浓度 80 0— 2 2 0 0mg L ,CODCr负荷达 8— 9kg (m3 ·d)时 ,CODCr去除率平均达 95 % ,BOD5去除率大于 97% ,SS去除率在 95 %以上 .

磁热场协同作用下的传热传质强化

通过三维非稳态动量和能量方程的模拟,对圆管通道内空气的磁热风作用机理进行了分析。得出了无量纲长径比为 20、30、62和100,带电线圈和管道的直径比从2到200时磁场密度的梯度的影响规律。磁场与温度场的协同作用改变了速度和温度边界层的分布,存在最优条件下的强化传热、传质效果。

“微界面传质强化反应-精细分离集成系统”达国际领先水平

2017年4月9日，由南京大学联合3家企业共同完成的“微界面传质强化反应一精细分离集成系统”研发项目举行科技成果鉴定会。鉴定委员会认为：该技术具有原创性和自主知识产权，多项关键技术已达国际领先水平。

基于传质强化的微气泡塔盘流动特性实验的研究

筛板塔塔内件的作用主要是增大气液比表面积,改变气液接触形式,以提高塔内传质、传热。研究者提出了新型微气泡塔盘,通过在筛板上方的泡沫层内增加破泡组件,利用破泡组件使大气泡破裂为小气泡,增加气液接触面积,提高气液传质、传热效果。利用自行设计的筛板塔和微气泡塔盘实验平台及PIV测速系统,测定了塔板上气泡的直径分布和上升速度。实验结果显示:与普通筛板相比较,微气泡塔盘上气泡的上升速度较小,气泡停留时间更长,且径向分布更平坦;气泡直径也仅为筛板的1/16,气液接触的比表面积增大,更利于传质过程的进行。

湿式冷却塔的传热传质性能强化浅析

冷却塔的传热传质能力对系统冷却效率和运行能耗影响显著。本文从填料材质、波纹结构、布置方式、运行参数、空气流场均匀分布和循环水特性等方面,对强化冷却塔传热传质能力进行了分析探讨。未来的研究将布局于填料材料的优化选择、结构改进、热力性能提升,以及系统运行参数优化、纳米流体的应用等方面。

膜强化传质净化技术在清罐污油处理中的应用

经过实地调研燕山石化等七家石化单位污油处理情况,并对安庆石化无锡雪浪污油净化技术进行考察评估,结合惠州石化清罐污油原料特点以及五种清罐污油处理方法技术比对,从技术可行性、可靠性、原料适应性、技术指标先进性、独创性等多方面综合考量、评估,确定湖南长岭石化科技开发有限公司“膜强化传质净化处理技术”为最佳技术路线。该技术曾被中石化集团列为其“攻关十小龙”项目进行研发,先后开展了探索性研究、400吨/年小试研究和1.5万吨/年工业侧线试验,于2014年2月通过了中石化科技部组织的技术评议,认为该技术“具有新颖性和创新性”。目前该技术共拥有国家专利7项,并在国内石油石化企业取得工业应用,效果良好。项目组委托中海油石化工程公司采用“膜强化传质净化处理技术”编制项目可行性研究报告,并组织行业专家评审,专家组给予高度评价并一致通过。

质子交换膜燃料电池强化传质

传质问题制约着燃料电池性能的提高。通过理论分析、Fluent模拟,针对质子交换膜燃料电池流道中加凸台和电极扩散层开孔两种方法,分别研究其对强化电池内部传质的效果。结果表明,上述两种方式均能有效强化电池内部传质,提高电池性能。但是加凸台增加了风机的寄生功率,综合性能提升不显著。

水力喷射-空气旋流器中微粒强化气液传质及其机理

在一种新型高效的气液传质设备——水力喷射-空气旋流器(WSA)中,研究了第三相固体粒子对气液传质的影响。分别采用化学吸收法(CO2-空气-Na OH体系)和物理吸收法(CO2-空气-H2O体系)测定了不同固含率cs、进口气速ug、液体喷射速度uL下的有效相界面积a和液膜传质系数kL,并由此得到总体积传质系数kLa和增强因子E。结果表明,随着粒子固含率增大,kL、a、kLa和E先增大后减小,存在一适宜固含率。在不同进口气速和液体喷射速度下,加入微粒后,kL、a、kLa均增大,但E随进口气速和液体喷射速度增加而减小。微粒加入后,主要从a、kL和表面更新频率S这3方面强化了气液传质,但主要是通过增强表面更新频率S而实现的。

螺旋管内对流传质场协同强化模拟

通过计算流体力学方法对层流直管内浓度场的模拟,发现大部分区域浓度梯度在径向比轴向高2个数量级。为了强化传质,应降低浓度梯度矢量和速度矢量的夹角,在径向产生一定的流动。对螺旋管内浓度场和速度场的计算表明,二次流横穿浓度等值线,提高了两场的协同。两种螺旋结构的比较表明,二次流随着Reyn-olds数的增大而增强,传质增强效果也越显著,正是二次流显著提高了速度场和浓度场的协同。所研究的螺旋结构在Re=1000～2400时,平均二次流速度最大达到主流速度的6.5%～6.8%,Sherwood数增大了4.99～6.43倍。

空气隙膜蒸馏过程传质的强化

采用双向入流的圆形短管膜组件,并将超声激励技术用于膜蒸馏系统,以提高空气隙膜蒸馏通量.以自来水和稀盐溶液为料液,研究冷热溶液温差、空气隙厚度、超声激励和溶液浓度对蒸馏通量的影响.实验结果表明:合理设计膜组件、有效布置溶液的流动和控制实验参数,及超声激励技术,能降低温度极化、浓度极化和膜污染,从而有效提高空气隙膜蒸馏通量.

不同扰流内构件强化管式反应器传质性能的研究

采用NaOH-CO2-H2O体系,研究了4种不同扰流内构件及其组合型式对管式反应器传质性能的影响。以气相体积总传质系数KGaV作为衡量传质效果的评价指标,考察了液体流量L、气体流量G、不同扰流内构件及其组合型式对KGaV的影响。结果表明,KGaV随着液体流量增大而提高,气体流量的变化对KGaV的影响较小;中心扰流内构件和管壁扰流内构件的加入,有效地提高了管式反应器的KGaV;与空管相比,中心扰流内构件加入后管式反应器的KGaV提高了8%～47%,管壁扰流内构件加入后KGaV提高了15%～46%,中心与管壁组合扰流内构件加入后KGaV提高了19%～65%;通过比较4种扰流内构件对KGaV的影响可知,U型叶扇的传质强化效果最好,平面叶片的传质强化效果最差。

毛细管中泰勒流液侧传质特性及其强化机理的CFD模拟

采用计算流体力学(CFD)的方法,研究了圆管中泰勒流的液侧传质特性,分析了泰勒气泡上局部传质特性,并研究了气泡上升速度、液膜长度和液栓长度对液膜处和气泡半球帽处平均传质系数的影响。结果表明,泰勒气泡表面局部传质系数存在3个峰值,液膜处的平均传质系数随气泡上升速度增大显著增大,随液膜长度增大而减小,而半球帽处的平均传质系数随气泡速度和液膜长度的增大变化较小,即膜接触时间增加时,液膜处的传质系数降低,而半球帽处传质系数变化较小。另外,引入场协同原则对单元胞内速度场和浓度场进行分析,解释了局部传质特性及强化机理。最后,给出了分别预测短和长膜接触时间下泰勒流液侧体积传质系数的关联式,该式在较宽的管径尺度范围(0.25～3mm)内的预测误差在±20%以内。

单相撞击流强化水处理传质过程的数值模拟

为了探讨应用撞击流技术强化废水高级氧化降解等化工过程,采用控制容积数值分析法通过FLUENT软件分别模拟了气相和液相单相撞击流的流场。模拟结果表明,撞击过程形成强烈的湍动,为强化传递提供很好的条件。其中,液相撞击流撞击面上的相对速度高于气相撞击流撞击面的相对速度。研究表明,应用撞击流强化废水处理传质等化工过程,是有效而且是可行的。

用肋片管强化溴化锂降膜式发生器传热传质的研究

本文就肋片管对不同的工况进行了大量的实验,将实验结果进行了分析比较,得到了一些有益的结论。肋片管对溴化锂降膜式发生器的传热传质有强化作用,管外换热系数的强化幅度约为43.7～55.3％,放汽范围的强化幅度约为27～49.2％。这些工作对选用适合于溴化锂降膜式发生器的强化传热管有着指导作用。

中空纤维膜渗透汽化过程中Dean涡强化传质的CFD模拟

建立了一个三维的弯管式中空纤维膜渗透汽化传质CFD模型,研究Dean涡对渗透汽化过程传质的影响,描述了膜内侧的浓度和速率变化情况,该模型与Leveque传质关联式具有良好的一致性。研究结果显示:弯管膜中Dean涡的存在能降低边界层传质阻力,总传质系数比直管膜提高了4倍;在不同的入口速率和浓度条件下,弯管膜内侧的壁面剪应力均大于直管膜。在膜阻力远小于边界层阻力的情况下,入口速率0.275 m·s^(-1),水浓度10%(质量)时,弯管膜的渗透通量为12636 g·m^(-2)·h^(-1),是直管膜的5倍。可见,弯管式中空纤维膜在渗透汽化过程中具有显著的强化传质效果。

三维菱形结构微通道内气液传质与强化

研究了具有三维交错菱形结构的微通道对离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF4])水溶液吸收CO_(2)过程的传质增强作用。实验主要聚焦于弹状流和破碎弹状流。考察了弹状流型下气液流量、离子液体浓度对体积传质系数kLa、增强因子E、CO_(2)吸收率X及压力降ΔP的影响。结果表明,较之于直通道,三维菱形通道可以显著提高体积传质系数和CO_(2)吸收率,其增强因子可达2.1,压力降仅增加0.9 kPa。提出了一个新的体积传质系数kLa预测式,预测效果良好。采用VOF法模拟了微通道内气液两相流动过程,获得了连续相的速度矢量场。三维菱形通道能诱导涡流,强化传质过程。

固体粒子对板式膜吸收过程的传质强化

分别采用纯CO2-去离子水和不同浓度的NaOH溶液为实验体系,在板式膜器中研究了第三相固体粒子对膜吸收过程传质效果的影响.分别考察了在不同粒子种类、搅拌转速、传质体系、化学反应强度、膜孔隙率等因素下固体粒子对传质强化的影响.结果表明,随着粒子固含率的增大,传质系数和增强因子均有所提高,当粒子固含率增大到一定范围后,传质系数和增强因子的变化趋于平缓.在固含率一定的条件下,不同种类的固体粒子对膜吸收过程的强化效果随着固体粒子密度的增加而减小.传质系数随着搅拌转速的增大而增大,但高搅拌转速下固体粒子的强化作用减弱.膜吸收过程的传质系数和增强因子随着化学反应强度的增强而增加.随着粒子固含率的增大,不同膜孔隙率对传质效果的差异减小,且孔隙率越小,固体粒子对膜吸收传质过程的强化效果越好.其中,对于纯CO2-去离子水体系,当孔隙率为20%,粒子固含率为1.5gL1时,固体粒子的加入可使传质系数提高1.45倍,增强因子可达2.45.