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离心力场中液—液两相传递过程的实验研究和数值模拟

作　者: 蒋青云
导　师: 朱康玲
学　校: 华中科技大学
专　业: 物理化学
关键词: 水力旋流器分离效率 CFD 数值模拟传递过程
分类号: TQ021.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 95次
引　用: 1次
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内容摘要

油和水都是国民经济和人民生活中不可替代的资源,随着国民经济的发展,全球性能源危机日渐加剧,以及环境污染的日益严重,油水混合物分离问题受到广泛的重视。旋流式离心分离的方法由于离心力场强度远大于重力场强度,分离速率和效率较高,设备体积小,结构简单,同时避免了化学处理法对水和油资源的二次污染等优点,在各行各业显示出越来越广泛的应用前景。但是目前该法主要是用在对水中脱油的研究,而油中除水的研究则处于初始阶段。针对这种情况,本文以柴油—水为实验物系,从实验和数值模拟两方面对离心力场中液-液两相的传递过程进行了研究,尤其是油中脱水的情况。主要研究内容为:(1)实验研究了两相组成对混合物黏度和相状态的影响,确定了含水量为33 %时为转相点,对应混合物黏度最大。在含水量低于33 %的范围内,油为连续相,水为分散相,随着油中含水量的增加,混合物的黏度也增大。在含水量大于33 %的范围内水为连续相而分散相为油,混合物的黏度则随含水量的增大而下降。(2)通过正交实验,对离心分离器结构参数进行了优化,确定最佳的结构参数为:溢流口直径2mm、底流口直径3.5mm,溢流管长度22mm。(3)实验研究了主要操作条件对分离性能的影响,在最佳的结构参数、原料中水的体积浓度为8.832%,及分流比为0.75时,进口流量在550 L/h~700 L/h范围内,有较高的分离效率,达到85%左右。(4)首次探讨了旋流器内构件对液-液旋流器分离效果的影响,当加实心棒时效果显着,分离效率可达到90%左右,并使原料中含水浓度从8.3%降至1%以下。(5)对液液两相的质量传递过程和动量传递过程进行了理论研究,使用CFD—Fluent软件,通过合理的选择数学模型和正确的设定边界条件,结合流体力学中的旋转流、组合涡理论以及旋流器相关理论和试验结果,对实验条件下的油中除水型旋流器进行了内部流场的数值模拟。在模拟结果、试验结果及理论分析的基础上,提出了实验设备的优化方案。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-17
  1.1 国内外研究概况  10-16
  1.2 研究的目的和意义  16-17
2 理论分析  17-23
  2.1 工作原理  17-18
  2.2 微分衡算方程  18-20
    2.2.1 质量守恒方程  18-19
    2.2.2 动量守恒方程  19
    2.2.3 组分质量守恒方程  19-20
  2.3 流体流场方程  20-23
    2.3.1 旋转流体的能量方程  20-21
    2.3.2 自由涡运动的基本方程  21-22
    2.3.3 强制涡运动的基本方程  22
    2.3.4 组合涡运动的基本方程  22-23
3 实验研究  23-26
  3.1 实验旋流器结构尺寸的确定  23
  3.2 实验材料  23-24
  3.3 仪器和设备  24
  3.4 实验装置及工艺流程  24-26
4 实验及结果讨论  26-45
  4.1 油水混合物性质的研究  26-28
  4.2 压降的影响因素  28-32
  4.3 结构参数对分离性能的影响  32-37
  4.4 操作参数对分离性能的影响  37-41
  4.5 内构件对分离性能的影响  41-45
5 液液两相传递过程的数值模拟  45-73
  5.1 过程分析软件 CFD——Fluent  45-47
  5.2 湍流模型的建立  47-50
  5.3 多相流模型的建立  50-52
    5.3.1 混合模型的连续方程  51
    5.3.2 相对速度和漂移速度  51-52
    5.3.3 混合模型的动量方程  52
    5.4.4 第二相的体积分数方程  52
  5.4 几何结构模型建立  52-53
  5.5 网格划分和边界条件确定  53-54
    5.5.1 网格划分和定义边界条件  53
    5.5.2 确定边界条件  53-54
  5.6 确定控制参数  54-55
  5.7 模拟结果及其数值分析  55-69
    5.7.1 二维流体流动曲线  55-57
    5.7.2 压力分布  57-60
    5.7.3 切向速度分布  60-63
    5.7.4 轴向速度分布  63-65
    5.7.5 径向速度分布  65-66
    5.7.6 水相的分布  66-68
    5.7.7 液滴运动轨迹图  68-69
  5.8 旋流器结构的优化  69-73
    5.8.1 进口管的优化  69-70
    5.8.2 旋流器大、小锥段过渡形式的优化  70-71
    5.8.3 双螺旋管型油中脱水分离装置  71-73
6 结论  73-75
致谢  75-76
参考文献  76-81
符号说明  81-83
附录1 攻读硕士学位期间拟发表的的论文  83-84
附录2 附图  84

离心力场中液—液两相传递过程的实验研究和数值模拟

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