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新型机械搅拌喷气精炼装置的气泡微细化及分散的研究

作　者: 刘燕
导　师: 赫冀成；张廷安
学　校: 东北大学
专　业: 热能工程
关键词: 气泡微细化气泡分散气液传质均混时间因次分析图像处理气含率气泡利用率机械搅拌喷气精炼水模型数值分析气液两相流
分类号: TF351
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 99次
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内容摘要

本文在综合颗粒镁脱硫和KR法脱硫技术的基础上,提出了“原位法机械搅拌脱硫”的新思路。即以MgO镁基脱硫剂取代颗粒镁,在铁水中原位生成金属镁蒸汽,靠惰性载气喷吹带入铁水熔池并在机械搅拌的作用下细化和分散镁蒸汽气泡,从而达到提高镁脱硫效率的目的。佐野正道的研究也证明微细化镁蒸汽气泡大小不仅可以提高镁脱硫效率还可以提高镁利用率。显然,要实现“原位法机械搅拌脱硫”的新思路,镁蒸汽气泡的微细化和均匀分散是提高金属镁脱硫效率和镁利用率的最为关键的问题之一。因此,必须开展“基于精炼过程的气泡微细化及其气液传质过程的研究”。在综合与分析大量文献的基础上,基于相似原理的水模型实验从图像分析、气液吸收、因次分析、均混时间、气泡利用率、数值模拟等角度系统地研究了气液吸收过程中气泡微细化和气泡分散的影响因素及其相互作用规律。首先,采用高速照相、数码摄像、图像处理技术以及IMAGE—PROCESS软件考察了搅拌桨桨型、转动模式、转速、喷嘴结构、喷气方式和喷气流量等因素对气泡细化、气泡分散、气液吸收过程的影响规律。实验和理论分析表明：单向转动模式易形成漩涡,导致气泡在搅拌桨轴并聚；双向和间歇的搅拌模式可以抑制漩涡的形成,促进气泡的微细化；偏心搅拌与中心搅拌相比更利于气泡微细化。在双向和间歇的搅拌模式下,搅拌桨转速和长度的增加有利于气泡微细化；在相同的实验条件下,气泡的直径随着喷嘴直径的增大而增大,随着喷嘴数的增加而减小；当喷嘴的浸入深度增加时,气泡微细化程度明显增强,喷嘴的浸入深度越深,气泡分布得越广泛；打孔桨即使在单向搅拌模式下,也可以削弱切向流,抑制漩涡的形成或者至少可以延长漩涡的形成时间,形成漩涡的时间与无孔桨相比延长了2到3倍,这为双向和间歇转模式选择合适的交互时间提供了实验基础；同时,具有较大翼长和翼幅的多孔搅拌桨可以促进气泡的分散和破碎。其次,在水模型实验的基础上,分析了影响气泡尺寸的各种因素,应用因次分析得到了气泡平均直径的准数方程：根据得到的准数方程,分别对搅拌桨转速、气体流量、浸入深度、以及液面高度对气泡的平均直径的影响进行了理论分析,得到三种情况下具体的准数方程的表达式：第三,通过CO2—NaOH—H2O体系吸收过程,研究了容积传质系数和气体利用率的影响因素及其作用规律。结果表明：容积传质系数随着流量的增大而增大；偏心搅拌时容积传质系数和CO2利用率随转速增大而增大；直吹和侧吹下的机械搅拌有利于气泡在溶池内迅速扩散,能促进气液的充分接触,提高容积传质系数和CO2利用率。在实验的基础上,应用因次分析原理关联了容积传质系数与相关数群的准数方程如下：(a)中心搅拌双向：(b)中心搅拌单向：(c)中心搅拌间歇：(d)偏心搅拌单向：根据气含率、气泡尺寸和容积传质系数AK等参数,计算了相应条件下的质量传质系数K和表面更新率S。第四,针对铁水包高径比较小的特点,提出了气泡有效利用率的新概念。通过理论分析及推导,得到了气泡有效利用率与流量、气泡直径、传质系数的关系式。当吸收过程为零级反应时：当吸收过程为一级反应时：其中两个公式的计算值与实验值吻合较好,这说明在高径比较小的情况下,吸收速率可按零级反应处理,但吸收速率按一级反应处理时的理论公式比吸收速率按零级反应处理的理论公式吻合程度更好。第五,采用电导率法测定了水模型的均混时间。分别考察了搅拌模式、转速、中心与偏心搅拌、喷气流量等因素对均混时间的影响。研究结果表明：双向搅拌模式的均混时间小于间歇搅拌模式的均混时间,单向搅拌模式的均混时间最长；喷嘴直径越大均混时间越长；中心和偏心搅拌模式下转速对均混时间的影响规律相同,即无论喷气与否均混时间均随着搅拌转速的增加而变小,而且,在同一搅拌转速下喷气加机械搅拌模式的均混时间比无喷气机械搅拌的均混时间短。最后,应用FULENT和MIXSIM软件模拟了单相流和两相流机械搅拌的流动型态,并与数码图像进行了比较。通过单向流中心搅拌模式和偏心搅拌模式比较发现：中心搅拌模式下在搅拌桨轴附近形成很大的漩涡,偏心时虽然也有漩涡形成,但偏离轴心。两相流偏心搅拌模式下由于漩涡较小且偏离轴心,有利于气体的分散；两相流偏心搅拌模式下,侧吹时溶池内流场紊乱,有利于气泡分散。

全文目录

摘要  10-13
Abstract  13-17
第1章绪论  17-61
  1.1 课题研究的背景及意义  17-19
  1.2 铁水脱硫预处理技术进展  19-21
  1.3 颗粒镁脱硫工艺技术现状  21-25
    1.3.1 混合喷吹与复合喷吹工艺  21-22
    1.3.2 颗粒镁汽化室喷吹工艺  22-23
    1.3.3 颗粒镁底部直吹脱硫工艺  23
    1.3.4 镁脱硫的理论基础  23-25
  1.4 气液传质理论  25-28
    1.4.1 气液传质的经典模型  25-26
    1.4.2 漩涡扩散模型  26
    1.4.3 漩涡池模型  26-28
    1.4.4 多尺度局部均匀模型  28
  1.5 气液搅拌反应器的传质特性  28-34
    1.5.1 概述  28-30
    1.5.2 气液相传质的关联  30-32
    1.5.3 气液传质过程的气含率  32-34
  1.6 气液反应器的研究方法  34-45
    1.6.1 物理模拟法  34-40
    1.6.2 数学模拟法  40-42
    1.6.3 计算流体力学(CFD)  42-45
  1.7 气泡微细化及其研究方法  45-50
    1.7.1 气泡微细化的研究  45-48
    1.7.2 气泡的的测量方法  48-50
  1.8 本文的研究内容  50-53
  参考文献  53-61
第2章中心搅拌模式下气泡微细化的实验研究  61-83
  2.1 引言  61-62
  2.2 实验设备与方法  62-63
  2.3 搅拌模式对气泡微细化的影响  63-68
    2.3.1 搅拌模式与溶池内宏观微观流动的关系  63-64
    2.3.2 单向转动模式  64-65
    2.3.3 间歇转动模式  65-66
    2.3.4 双向转动模式  66-68
  2.4 搅拌浆的旋转速度对气泡细化和分散性的影响  68-71
    2.4.1 单向转动模式  68
    2.4.2 间歇转动模式  68-69
    2.4.3 双向转动模式  69-71
  2.5 搅拌桨桨叶尺寸对气泡细化和分散性的影响  71-73
  2.6 喷气流量对气泡细化的影响  73-75
  2.7 打孔桨对气泡微细化的影响  75-81
    2.7.1 概述  75-77
    2.7.2 实验结果及讨论  77-81
  2.8 本章结论  81
  参考文献  81-83
第3章偏心搅拌模式下气泡微细化的实验研究  83-90
  3.1 引言  83
  3.2 实验设备与方法  83-84
  3.3 实验结果及讨论  84-89
    3.3.1 搅拌模式以及喷嘴结构对气泡微细化的影响  84-85
    3.3.2 搅拌桨尺寸对气泡细化的影响  85
    3.3.3 喷嘴的浸入深度对气泡微细化的影响  85-86
    3.3.4 气体的喷入方式对气泡微细化的影响  86-87
    3.3.5 喷枪的位置对于气泡微细化的影响  87-88
    3.3.6 搅拌桨的偏心度对气泡微细化的影响  88-89
  3.4 本章结论  89
  参考文献  89-90
第4章气泡微细化过程的因次分析  90-107
  4.1 引言  90-91
  4.2.因次分析的步骤  91-92
  4.3 影响气泡尺寸大小的因素分析  92-95
    4.3.1 转动方式对气泡尺寸的影响  92-93
    4.3.2 桨型对气泡尺寸的影响  93-94
    4.3.3 液面高度和气体流量对气泡尺寸的影响  94
    4.3.4 喷嘴直径和喷嘴数目对气泡尺寸的影响  94-95
    4.3.5 搅拌桨潜入深度、搅拌转速对气泡尺寸的影响  95
  4.4 气泡微细化的因次分析  95-101
    4.4.1 影响气泡直径的主要参数  96
    4.4.2 待定参数的准数方程公式建立  96-100
    4.4.3 准数方程关系式的确定  100-101
  4.5 气泡尺寸的准数方程的分析与讨论  101-105
    4.5.1 实验数据的分析与拟合  101-102
    4.5.2 喷气流量对气泡尺寸(d_B/D)的影响  102-103
    4.5.3 浸入深度对气泡尺寸(d_B/D)的影响  103-104
    4.5.4 液面高度对气泡尺寸(d_B/D)的影响  104-105
  4.6 本章结论  105-106
  参考文献  106-107
第5章气泡细化过程吸收速率的研究  107-129
  5.1 引言  107
  5.2 实验原理与方法  107-110
    5.2.1 吸收速率的测定原理  107-109
    5.2.2 吸收速率的测定方法  109-110
  5.3 中心搅拌模式下吸收速率实验结果与讨论  110-117
    5.3.1 转动模式、搅拌桨转速与气体流量对吸收速率的影响  110-113
    5.3.2 喷嘴浸入深度对吸收速率的影响  113-114
    5.3.3 搅拌桨结构对吸收速率的影响  114-117
  5.4 偏心搅拌模式下吸收速率实验结果与讨论  117-126
    5.4.1 偏心搅拌模式下喷气方式对吸收速率的影响  117-118
    5.4.2 偏心搅拌模式下气体流量对吸收速率的影响  118-122
    5.4.3 偏心搅拌模式下搅拌桨桨型对吸收速率的影响  122-124
    5.4.4 偏心搅拌模式下浸入深度对吸收速率的影响  124-126
  5.5 偏心搅拌模式与中心搅拌模式吸收速率比较  126-127
    5.5.1 不同转速下中心搅拌与偏心搅拌比较  126
    5.5.2 不同气体流量下中心搅拌与偏心搅拌比较  126-127
  5.6 本章结论  127-128
  参考文献  128-129
第6章气泡细化过程气含率及传质系数的研究  129-150
  6.1 引言  129
  6.2 气含率的测定原理与方法  129-131
    6.2.1 气含率的测定原理  129-130
    6.2.2 气含率的测定方法  130-131
  6.3 气含率的实验结果与分析  131-135
    6.3.1 中心搅拌模式下气含率的测定与分析  131-133
    6.3.2 偏心搅拌模式下气含率的结果与讨论  133-135
  6.4 容积传质系数的计算与分析  135-139
    6.4.1 容积传质系数的因次分析  135-137
    6.4.2 容积传质系数的准数方程  137-139
  6.5 容积传质系数准数方程的分析与讨论  139-143
    6.5.1 浸入深度对AK的影响  139
    6.5.2 搅拌桨转速对AK的影响  139-141
    6.5.3 CO_2的流量对AK的影响  141-142
    6.5.4 搅拌桨尺寸对AK的影响  142-143
    6.5.5 搅拌方式对AK的影响  143
  6.6 质量传质系数与表面更新率的计算  143-147
    6.6.1 中心搅拌双向转动模式下质量传质系数与表面更新率计算  144-145
    6.6.2 中心搅拌单向模式下质量传质系数与表面更新率计算  145-146
    6.6.3 中心搅拌间歇模式下质量传质系数与表面更新率计算  146-147
    6.6.4 偏心搅拌模式的质量传质系数与表面更新率计算  147
  6.7 本章结论  147-149
  参考文献  149-150
第7章气泡有效利用率的理论研究  150-174
  7.1 引言  150
  7.2 气泡有效利用率定义  150-151
    7.2.1 气泡有效利用率定义  150-151
    7.2.2 实测气泡有效利用率的计算式  151
  7.3 气泡有效利用率公式的理论推导  151-158
    7.3.1 拟零级反应过程气泡有效利用率的公式推导  152-154
    7.3.2 拟1级反应宏观动力学的气泡有效利用率  154-158
  7.4 气泡有效利用率理论与实验的比较分析  158-169
    7.4.1 拟0级反应下理论值与实验值的比较分析  158-164
    7.4.2 拟一级反应下理论值与实验值的比较分析  164-169
  7.5 两种模拟的比较分析  169-172
  7.6 本章结论  172
  参考文献  172-174
第8章气泡微细化实验中均混时间的研究  174-185
  8.1 引言  174
  8.2 均混时间的实验方法  174-175
  8.3.中心搅拌模式下均混时间的结果与分析  175-179
    8.3.1 中心搅拌模式下搅拌桨的旋转方式对熔池均混时间的影响  175-177
    8.3.2 中心搅拌模式下不同喷嘴结构及载气流量对均混时间的影响  177
    8.3.3 中心搅拌模式下喷嘴的浸入深度对熔池均混时间的影响  177-179
    8.3.4 中心搅拌模式下喷嘴的孔径对熔池均混时间的影响  179
  8.4 偏心搅拌模式下均混时间的结果与讨论  179-183
    8.4.1 偏心搅拌模式下喷气方式对均混时间的影响  179-180
    8.4.2 偏心搅拌模式下转速对均混时间的影响  180-181
    8.4.3 中心搅拌模式下转速对均混时间影响  181-183
  8.5 本章结论  183
  参考文献  183-185
第9章气泡微细化过程中的数值模拟与分析  185-210
  9.1 引言  185
  9.2 水模型实验中三维流场的的数值模拟  185-187
    9.2.1 控制方程  185-186
    9.2.2 湍流模型  186-187
  9.3 水模型结构及计算区域  187-188
  9.4 搅拌桨的模拟及边界条件  188-189
    9.4.1 多重参考系法  188
    9.4.2 边界条件  188-189
  9.5 网格划分与数值模拟环境  189-190
  9.6 计算结果与讨论  190-208
    9.6.1 中心搅拌模式下搅拌桨浸入深度对单相流的影响  190-194
    9.6.2 偏心搅拌模式下搅拌桨浸入深度对单相流的影响  194-198
    9.6.3 偏心搅拌模式下搅拌桨转速对单相流的影响  198-200
    9.6.4 单相流与两相流的模拟对比  200-204
    9.6.5 偏心搅拌模式下喷气流量对两相流的影响  204-206
    9.6.6 偏心搅拌模式下喷吹方式对两相流的的影响  206-208
  9.7 本章结论  208-209
  参考文献  209-210
第10章结论  210-213
攻读博士期间发表的论文及申报的专利  213-215
致谢  215-217
作者简介  217

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