中文摘要 旋轉帶蒸餾是一種能在高真空和高理論塔板數的條件下分離液體狀態(tài)下沸 點很近或具有熱敏性的混合物的技術。高速旋轉的旋轉帶對塔內上升的蒸汽和下 降的冷凝液不斷作用，使兩相之間緊密接觸，從而獲得極佳的分餾效果。這項技 術的應用研究可以追溯到上世紀中期。伴隨著高真空技術的進步，人們對旋轉帶 蒸餾技術的應用越來越廣泛。然而，目前人們對旋轉帶蒸餾的理論研究很少，還 沒有見過文獻報道。利用計算機對旋轉帶蒸餾過程進行流體力學( c f d ) 數值模 擬，是一種較新的理論研究方法。 課題主要利用計算流體力學軟件f l u e n t 6 2 對旋轉帶蒸餾塔的流體力學性 能進行模擬，并通過對旋轉帶蒸餾模擬裝置的停留時間分布實驗研究，從實驗方 面，對流體力學模擬結果進行評判。課題對旋轉帶蒸餾中氣液兩相流體的研究， 主要集中在塔橫截面上流體的分布、壁面上液膜流動狀態(tài)和氣液兩相速度場分 布。 課題基于三個主要假設，將計算流域三維模型進行適當簡化，在恒溫恒壓條 件下，對旋轉帶蒸餾中流場進行了純流體力學模擬。在旋轉坐標系下進行模擬計 算，選用了r e a l i z a b l e k 一湍流模型，利用v o f 多相流模型考察壁面上液膜的 流動狀態(tài)，采用增強壁面函數法加強對近壁面流動的處理。分別改變旋轉帶轉速、 進料速度和氣相流速，模擬得出壁面上液膜的流動狀態(tài)。 模擬結果表明，提高旋轉帶轉速和增加進料速度，可以增加壁面上液膜的連 續(xù)性和均勻性，從而使氣液兩相的接觸面積增大。在旋轉帶轉動的情況下，氣相 流速對壁面上液膜流動狀態(tài)的影響不大。 對旋轉帶蒸餾液相單相流濃度場進行了c f d 模擬，考察了旋轉帶轉速、進 料速度兩方面對平均停留時間的影響。模擬結果與實驗結果趨勢一致，驗證了模 擬結果的有效性。 利用歐拉模型考察不同轉速下的氣液兩相的速度場情況。模擬結果表明，在 旋轉帶高轉速下( 轉速 1 0 0 0 r p m ) ，氣液兩相之間出現了界面分離現象。而且隨 著轉速的增加，氣液分離的界面還在擴大。通過對旋轉帶結構進行適當改進：在 旋轉帶上開孔，以改善氣液界面分離的現象。比較了開孔位置和孔徑大小對改善 氣液界面分離的影響。模擬結果對優(yōu)化旋轉帶結構設計具有一定指導意義。 關鍵詞：旋轉帶蒸餾，計算流體力學模擬，停留時間分布，液膜 a bs t r a c t a p p l i c a t i o no fs p i n n i n gb a n dc o l u m n ( s b c ) c a nb et r a c e db a c kt oe a r l i e rl a s t c e n t u r yt oe f f i c i e n t l ys e p a r a t eu n u s u a lm i x t u r eu n d e rh i g hv a c u u l na n dl i q u i ds t a t e s b ci sas p e c i f i ct y p eo fd i s t i l l a t i o na p p a r a t u s ，w h i c hs p i n sab a n dt h r o u g h o u tam a j o r p o r t i o no ft h el e n g t ho ft h ec o l u m n ，i no r d e rt oa c h i e v eb e t t e rm i x i n ga n dc o n t a c to f t h ef a l l i n gl i q u i da n dt h er i s i n gg a s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hv a c u u mt e c h n i q u e ， a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho ns p i n n i n gb a n dc o l u m na r ec a r r i e do u tm o r ea n dm o r e d e e p l ya n dw i d e l y h o w e v e r , t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ns b c i sv e r yl i t t l e c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o nb e l o n g st oa ni n n o v a t i v em e t h o do fs t u d y i n g s p i n n i n gb a n dd i s t i l l a t i o np r o c e s s c f ds i m u l a t i o n s 、析t l ls o r w a r ef l u e n t 6 2w e r em a i n l ya c c o m p l i s h e dt os t u d yf l o w f i e l do fs b c ，a n da ne x p e r i m e n to fr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o ni ns b cw a sa l s o c o m p l e t e dt oo b s e r v ed i s t r i b u t i o no fl i q u i dp h a s ea n do b t a i nq u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n s a c c o r d i n gt ot h e s ec o n c l u s i o n sa n dp h e n o m e n o n ，s i m u l a t i n gr e s u l t sw e r ee v a l u a t e d a n dv e r i f i e d w h a t sm o r ei nt h i sp a p e r , s t u d yo ng a s l i q u i df l o ww a sc o n c e n t r a t e do n t h el i q u i dd i s t r i b u t i o ni nt h ec r o s s s e c t i o n ，f l o ws t a t eo ft h ef i l ma n dg a s l i q u i d v e l o c i t yf i e l d t a k i n ga d v a n t a g eo fc f ds i m u l a t i n gs o f t w a r e ，b a s e do nt h r e eh y p o t h e s e st o s i m p l i f ym o d e l i n ga n dc o m p u t a t i o np r o c e s s ，m a t h e m a t i ct h e o r e t i cm o d e l sw e r eb u i l t i nt h r e ed i m e n s i o n sa n dp u r ef l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o n sw e r ee x e c u t e do fg a s l i q u i d f l o wi nt h es p i n n i n gb a n dc o l u m nu n d e ra t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e r e a l i z a b l ek - - gt u r b u l e n tm o d e li su s e dt os i m u l a t eg a s - l i q u i df l o wg e n e r a t e db yt h e s p i n n i n gb a n d a tt h es a m et i m e ，v o l u m eo ff l u i d ( v o f ) w a sa l s ob u i l tt ot r a c kt h e l i q u i df i l mf l o wo nt h ew a l lo fc o l u m na sw e l la se n h a n c e d w a l lf u n c t i o nm e t h o dt o f u r t h e rd e a lw i t hn e a r - w a l lf l o w w i t hr e s p e c t i v e l yc h a n g i n gt h er o t a t es p e e d ，g a s l i q u i dv e l o c i t y , l i q u i df i l mf l o w s t a t eo nt h ew a l lw a ss i m u l a t e da sw e l la sv e l o c i t yf i e l d s i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a t s u r f a c ea r e ao ft h el i q u i df i l mo nt h ew a l li se n l a r g e dw i t hi n c r e a s eo fr o m t es p e e da n d r a t eo ff e e d ，a n dt h e ni t sm a s sa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s sa r ee n h a n c e d a n dt h eg a s v e l o c i t yi n f l u e n c e dt h el i q u i df i l mf l o ws t a t el i t t l e ，w h e nt h eb a n dw a s r o t a t e d t h es i m u l a t e df i e l do fc o n c e n t r a t i o no fl i q u i dp h a s ew a sp r e s e n t e d s i m u l a t i o n sf o r a v e r a g er e s i d e n c et i m ew e r ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa td i f f e r e n tr o t a t e s p e e d sa n dr a t e so f f e e d t h i sp r o v e dt h a tt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw e r ee r i e c t i v e f u r t h e r m o r e ，e u l e r i a nm u l t i p h a s em o d e lw a sa l s oa p p l i e dt os t u d yg a s l i q u i d v e l o c i t yf i e l d a st h es p i n n i n gb a n dr o t a t i o ns p e e di n c r e a s e s ( r o t a t es p e e d 10 0 0 r p m ) ， t h eg a s l i q u i df l o wf i e l ds h o w st h a tt h e r ei sas e p a r a t e di n t e r f a c eb e t w e e ng a sa n d l i q u i dp h a s e s t h i sp h e n o m e n o ni sn o tg o o df o rg a s - l i q u i di n t i m a t ec o n t a c t t h eb a n d s t r u c t u r ew a sa m e l i o r a t e d ，r e s u l t ss h o wt l l a tt h es e p a r a t ei n t e r f a c eb e t w e e ng a sa n d l i q u i dp h a s ed i m i n i s he v e na tah i l g hr o t a t es p e e d k e y w o r d s - s p i n n i n gb a n dc o l u m n ，c f d ，r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ，l i q u i d f i l m 符號說明 e ( t ) f ( t ) t k 材 k p f c ( t ) s x y z g 希臘字母 “ q 入 = 丁 p 下標 f l g 符號說明 停留時間分布密度 停留時間分布函數 時間，s 平均停留時間，s 速度，m s 湍動能，m 2 s 2 壓力，p a 外部體積力，n 質量分數 時均應變率，s 1 坐標軸 坐標軸 軸向距離，m m 重力加速度，m s 2 湍動耗散率，m e s 3 湍流粘度，p a s 體積分率 體積粘度 平均轉動張量。s 以 壓力應變張量，p a 密度，k g m 3 相數 液相 氣相 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤鲞墨堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：名支舜簽字日期：力唧年1 月竹日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解叁鲞盤堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權鑫鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名：魯支緙 簽字日期：砷年 月衫日 名：糾 厶 撕7 年 諺 第一章文獻綜述 第一章文獻綜述 在制藥和精細化工行業(yè)的分離過程中經常遇到一些同分異構體等沸點很近 的或具有熱敏性混合物的分離，這些混合物沸點相差很近，市場又需要很高純度 的產品，因此分離過程就需要很高的理論塔板數。如果采用真空精餾分離技術進 行，雖然理論塔板數可以滿足分離的要求，但精餾塔固有的壓力降又難以滿足混 合物系熱敏分解的局限；如果采用阻力降很小的具有高真空分離能力的分子蒸餾 或短程蒸餾，就必須采用多次循環(huán)分離克服分子蒸餾只有一個理論級的不足，來 滿足高理論塔板數的要求，而多次循環(huán)操作肯定會帶來收率的損失和操作時間 的浪費。 旋轉帶蒸餾技術可以滿足在高真空和高理論塔板數的條件下進行分離的需 要。旋轉帶在中空的蒸餾塔內以每分鐘幾千轉的速度高速旋轉，對上升的蒸汽和 下降的冷凝液不斷作用，使兩相之間緊密接觸，從而獲得極佳的分餾效果。該技 術的關鍵是在有限的塔高內就可以實現較多的理論塔板數，具有非常強的分離能 力，甚至能對沸點相差o 5 混合物進行分離1 1 胡。旋轉帶蒸餾另一個優(yōu)點是蒸餾 后塔內液體殘留量少。這一點對于分離昂貴的或難以得到的物質尤為重要。因而， 無論是提純化學方法難以得到的少量物質，還是大量的昂貴物質的精餾、化學物 質的提純、香料香精的分離、自然物質的分離、標準物的提取、實驗室溶劑的回 收，旋轉帶蒸餾都可以應用。 1 1 旋轉帶蒸餾技術的應用和研究意義 1 1 1 旋轉帶蒸餾技術的發(fā)展 旋轉帶蒸餾技術是一種新型的蒸餾技術，它最早是在上世紀中期提出來用于 分析用的設備，到上世紀九十年代，已經發(fā)展成可以商業(yè)化分離的、具有批量生 產能力的先進分離的技術和裝置。 1 1 2 旋轉帶蒸餾技術的過程和特點 旋轉帶蒸餾系統(tǒng)包括蒸餾釜、分餾柱、冷凝系統(tǒng)、產品接收裝置、旋轉裝置、 塔釜加熱裝置和真空裝置。根據旋轉帶蒸餾器的設計原則，旋轉帶高速旋轉，回 第一章文獻綜述 流液向下流到旋轉帶上，會被甩到塔壁上，然后沿塔壁向下流動。由于旋轉帶的 外邊會輕輕刮擦塔壁，使下降的回流液厚度變??；上升的蒸汽由于旋轉帶的高速 旋轉，被迫沿塔壁向上流動，所以氣液相在接近塔壁的薄層區(qū)域密切接觸，從而 達到良好的分離效果。 1 旋轉帶蒸餾技術的特點 1 ) 等板高度值( h e t p ) 低 由于旋轉帶蒸餾特殊的傳質機理，使得旋轉帶蒸餾塔在有限的高度內，理論 塔板數很多。文獻 5 中設計的旋轉帶蒸餾塔的塔高為4 4 c m ，h e t p 值是2 2 c m 。 文獻 6 1 中的旋轉帶的h e t p 值為1 9 e r a 。所以旋轉帶具有很強的分離能力。 2 ) 持液量低 旋轉帶蒸餾塔的塔徑很小，一般在6 - 1 0 r a m 。旋轉帶的材質一般是金屬或聚 四氟乙烯，用于潤濕旋轉帶的回流液很少，而且旋轉帶的高速旋轉，將帶上的回 流液甩到塔壁上；旋轉帶的寬度可以刮擦塔內壁，從而使塔壁上的回流液的厚度 變薄。所以旋轉帶蒸餾塔的持液量很低，而且蒸餾完后塔內液體殘余量少。文獻 【2 】中的旋轉帶蒸餾塔的持液量為0 1 2 m l ，文獻【7 】中的旋轉帶蒸餾塔的持液量為 0 i m l ，蒸餾完畢塔內殘留量 0 5 m l 。 3 ) 蒸餾壓強低。 由于旋轉帶蒸餾裝置獨特的結構形式，其內部壓強極小，可以獲得很高的真 空度。系統(tǒng)最低壓力能達到0 1 r n m h g 。盡管常規(guī)真空蒸餾也可采用較高的真空 度，但由于其結構上的制約( 特別是板式塔或填料塔) ，其阻力較旋轉帶蒸餾裝置 大得多，因而真空度上不去，相應物料的沸點比較高，所以其操作溫度比旋轉帶 蒸餾的操作溫度高得多。 7 4 ) 適合高沸點和高粘液體的分離 旋轉帶蒸餾塔有限的塔高內能實現較多的理論板數，具有非常強的分離能 力，甚至能對相差o 5 混合物進行分離。旋轉帶高速旋轉，可控制旋轉帶旋轉 的方向，使旋轉趨勢向下。所以旋轉帶不僅刮擦壁面，使壁面上回流液厚度變薄， 而且也會對壁面上的液體產生向下的作用力。從而旋轉帶蒸餾塔對高粘度的液體 的分離效率也很高。 5 ) 比填料塔的效率高 所有的蒸餾都是試圖從高沸點的物系中分離出低沸點的物系。填料塔里被填 料堆滿，填料產生大量的表面積。蒸汽沿塔體上升，被冷凝器冷卻成液體。冷凝 液沿塔下降，潤濕填料，上升的蒸汽從潤濕的填料中穿過，與冷凝液親密接觸， 從而使低沸點的物質在氣相中富集。有些填料塔能提供高的分離效果，但是蒸餾 完塔內殘余量很大，或是持液量很高，不適合少量物料的分離。有些填料塔要增 第一章文獻綜述 加塔高來提高分離效率。有些填料塔在常壓下能保持很高的分離效率，但是在減 壓操作條件下分離效率不高。當氣液湍動很劇烈時，會將填料的排布打亂，也會 使填料塔的分離效率降低。 旋轉帶蒸餾是讓氣液在動態(tài)過程中密切接觸。蒸餾塔內旋轉帶高速旋轉，迫 使氣相與壁上的冷凝液在一個薄層空間面上接觸，而且這個薄層空間每分鐘會被 更新幾千次。所以旋轉帶蒸餾塔的有限的高度能實現較多的理論板數，具有很強 的分離效率，而且能克服上面填料塔出現的問題。 1 1 3 旋轉帶蒸餾試驗裝置及工藝流程 ( 1 ) 專利u s 2 7 1 2 5 2 0 設計旋轉帶蒸餾裝型6 】 旋轉帶蒸餾系統(tǒng)裝置圖見圖1 1 。旋轉帶是由長條的金屬網沿縱向中心線旋 轉而成，徑向與塔內壁輕微接觸。金屬網的網格大小為0 2 5 x 0 2 5 m m 。旋轉帶的 轉速范圍在1 0 - 4 0 0 0 r p m 。等板高度值( h e t p ) 為1 9 m m 。處理物料量范圍在 2 1 0 0 0 m l 。通過控制旋轉帶的轉動方向，可以對回流液產生向下運動的趨勢，從 而降低了液泛的可能性。旋轉帶的長度從塔頂貫穿到塔釜底部整個塔體，旋轉帶 的連續(xù)攪動有效地避免了物料的局部過熱和不規(guī)則的沸騰速率。 1 一蒸餾塔2 一轉動軸3 一電動馬達4 一冷凝器5 一保溫夾套6 一旋轉帶7 一塔釜8 一溫度計 圖1 - 1u s 2 7 1 2 5 2 0 專利設計旋轉帶蒸餾裝置 f i g 1 一ls p i n n i n gb a n dc o l u m ni nu sp a t e n t2 7 1 2 5 2 0 ( 2 ) u s 3 3 7 2 0 9 5 專利設計的旋轉帶蒸餾裝置【7 】 旋轉帶蒸餾塔裝置圖見圖1 2 。這種蒸餾塔的塔高為6 1 0 r a m ，塔徑為8 m m ， 持液量為o i m l ，轉速能達到5 4 0 0 r p m ?？刂菩D帶的轉動方向，可以拽動液體 澎 第一章文獻綜述 向下流動，有效地降低了液泛的趨勢。此外這個裝置不用作蒸餾設備時，可以改 變旋轉帶的轉動方向，可以變成提取塔。 圖1 2u s3 3 7 2 0 9 5 專利設計的旋轉帶蒸餾裝置 f i g 1 - 2s p i n n i n gb a n dc o l u m ni nu sp a t e n t3 3 7 2 0 9 5 ( 3 ) u s 3 0 8 0 3 0 3 專利設計的旋轉帶蒸餾裝置【8 9 】 旋轉帶蒸餾裝置圖見圖1 3 ( a ) 。這種旋轉帶蒸餾的裝置是通過塔頂的兩個磁 極相反的磁鐵之間的作用來帶動旋轉帶的高速轉動。此旋轉帶蒸餾裝置的特別之 處在于旋轉帶的幾何外形，見圖1 - 3 ( b ) 所示。它的旋轉中心軸大，帶的邊數多， 從而壓縮蒸汽上升的路徑，使得上升的蒸汽必須接觸塔的內壁，從而可以增加氣 液相接觸的效率。旋轉帶的材質是聚四氟乙烯。由于聚四氟乙烯的機械加工性、 彈性以及能夠高速旋轉且不破壞氣液平衡。所以在一定轉速條件下聚四氟乙烯旋 轉帶的性能優(yōu)于金屬材質的旋轉帶，比較數據見表1 1 。 表1 1 聚四氟乙烯材質與金屬材質旋轉帶性能比較 t a b l e1 1c o m p a r i s o no f t e f l o nb a n da n dm e t a lb a n d 注：常壓下全回流操作 4 第一章文獻綜述 1 塔體2 旋轉帶3 冷凝器4 _ 轉動軸5 電磁鐵6 - 熱電偶7 塔釜8 一金屬絲葉輪 圖1 - 3 ( a ) u s 3 0 8 0 3 0 3 專利設計的旋轉帶蒸餾裝置( b ) 旋轉帶結構的示意圖 f i g 1 3 ( a ) s p i n n i n gb a n dc o l u m ni nu sp a t e n t3 0 8 0 3 0 3 ( b ) s c h e m a t i cd i a g r a mo fs p i n n i n gb a n d ( 4 ) 微型旋轉帶蒸餾裝置【1 0 】 。 微型旋轉帶蒸餾裝置見圖1 - 4 。這種裝置的旋轉帶的底部由磁鐵組成。旋轉 帶在裝置底部的磁場作用下旋轉，轉速可以達到2 5 0 一1 0 0 0 r p m 。頂部的冷凝柱可 1 一塔體：2 一冷凝柱；3 一塔釜；4 一旋轉帶：5 一輸出連通管：6 一產品接受瓶；7 一回流控 制室；8 ，9 ，1 0 ，1 1 - 螺絲帽；1 2 - 塞子；1 3 - 磁性攪拌器；1 4 - 支架；1 5 - 轉速控制開 關；1 6 一加熱強度控制開關 圖1 - 4 微型旋轉帶蒸餾裝置 f i g 1 - 4a p p a r a t u so fm i c r o s c a l es p i n n i n gb a n dc o l u m n 5 第一章文獻綜述 以旋轉活動的，回流比的控制是通過調節(jié)冷凝柱滴下冷凝液的位置與收集槽之間 的距離遠近來實現的。這種旋轉帶可以分離沸點差值在5 1 0 的物系，處理量可 以小到0 5 5 i n l 。以2 一甲基戊烷( 沸點6 0 5 ) 和正己烷( 沸點6 8 ) 為例，體 積比為1 0 m l 1 0 m l ，操作時間共計為6 5 h 。最終得到的2 一甲基戊烷的濃度為9 5 以上，收率為5 0 ；正己烷的濃度在9 5 以上，收率為5 0 。 ( 5 ) u s 5 6 0 3 8 0 9 專利設計的旋轉帶蒸餾裝置【l l 】 該專利設計出的旋轉帶蒸餾裝置見圖1 5 所示。此旋轉帶蒸餾裝置的特點在 于旋轉帶的特殊形狀：旋轉帶的材料是金屬網做成，金屬網的網格大小為 0 1 6 x 0 1 6 m m ，旋轉帶的邊緣是穗狀，與塔內壁輕微接觸。而且在旋轉帶的中心 線的位置上有規(guī)則的開孔，孔的直徑約為旋轉帶寬度的2 5 。實驗測試結果表明 這種旋轉帶比傳統(tǒng)的沒有孔的旋轉帶顯著提高分離效率。 卜旋轉蒸餾塔2 一轉動軸3 一馬達4 一冷凝器5 一流出閥6 一旋轉帶7 一孔 8 一保溫夾套9 一塔釜1 0 - 力l 熱裝置 圖1 5u s 5 6 0 3 8 0 9 專利設計的旋轉帶蒸餾裝置 f i g 1 - 5s p i n n i n gb a n dc o l u m ni nu sp a t e n t5 6 0 3 8 0 9 1 1 4 旋轉帶蒸餾技術的應用現狀 m a n z a n a r e sce 等j k t a 2 , j 3 曾經做過用旋轉帶蒸餾塔分離內、外消旋一2 ，4 一二 氯戊烷同分異構體的實驗，他們使用的旋轉帶蒸餾塔具有電機速度控制器，可以 人工選擇所需的理論板數，加熱套聯(lián)有可調變壓器用來控制溫度。當系統(tǒng)真空度 為1 0 - 1 2 t o r r ，轉速為3 2 0 0 轉數分( r p m ) 時，大約相當于5 0 個理論塔板數，這 第一章文獻綜述 時塔效率最高。實驗使用大約2 0 m l 異構體混合物，將采出物分別平均收集到四 個瓶中，選定電機轉速和操作壓力，通過控制溫度來控制采出速度，經過多次重 復蒸餾、富集、再蒸餾，最后得到的內、外消旋2 ，4 二氯戊烷的含量分別可以 達到9 9 5 和9 9 8 。另外，v i a c h e s l a va p e 仃o vp 4 ，a n d r e we f e i r i n gb s 等人 也曾經使用旋轉帶蒸餾塔裝置做過分離提取實驗，并取得了較好的實驗結果。 1 2 停留時間分布( r t d ) 及分析 1 2 1 停留時間分布的理論基礎 停留時間分布函數是描述和解釋連續(xù)流動的非理想流動的重要手段。停留時 間表示流體從進入所研究的控制體到流出控制體所花的時間。在非理想流體中， 不同的流體粒子在裝置中所流經的通道不同，這就使得不同的流體粒子在裝置中 的停留的時間不同。這種流體粒子流過裝置所需的不同時間分布就叫停留時間分 布i l 引( r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ，r t d ) 。用來描述這種分布的函數就叫停留時 間分布函數。通常用停留時間分布密度函數e ( t ) 和停留時間分布函數f ( t ) 來表 示，如圖1 - 6 所示。 圖l - 6 典型e ( f ) 和f ( f ) 曲線 f i g 1 - 6t y p i c a le ( t ) a n df ( t ) c u r v c 對不發(fā)生反應的連續(xù)流動系統(tǒng)，在同時進入系統(tǒng)的粒子中，停留時間小于t 的粒子所占總粒子的分數成為粒子的停留時間分布函數常用f ( t ) 表示。停留時間 分布密度是分布函數對停留時間的一階導數，常用e ( f ) 表示。 其中 e ( f ) = d f ( t ) d t ( 1 1 ) 由于所有不同停留時間的粒子所占的分數之后應等于l ， 即 廠”e ( t ) d t ：l ( 1 - 2 ) j0 它表示e ( f ) 曲線與t 軸間所圍成的面積應等于l 。 第一章文獻綜述 又f oe ( t ) d t 2 j 。d f ( t ) 一j 。e ( t ) d t = l 一上e ( t ) d t 0 0 ( 1 - 3 ) 一r， l， p 由停留時間分布函數與分布密度的定義可知，兩者間存在如下的關系： e ( f ) = d f ( t ) d t ， ，( f ) = je ( t ) d t 為了使用上的方便，常使用無因次停留時間，其定義為 a = - t t ( 1 _ 4 ) 式中：0 為平均停留時間 因為 ，(f)=00e(t)dt(i-5) 將( 2 ) 式帶入上式，得： e ( o ) = t e ( t ) ( 1 - 6 ) 由概率論可知，停留時間的數學期望即為平均停留時間0 ，連續(xù)型與離散型 數據計算公式不同，在實驗中我們得到的一般是離散型數據，當所取時間間隔f 相同時，我們可以用求和代替積分： t e ( t ) a t r e ( t ) t m = 鼉一= 一 ( 1 7 ) e ( t ) a t e ( f ) 停留時間分布曲線有多種表示，常用的是e ( f ) 一f 曲線。 1 2 2 停留時間分布曲線的示蹤劑測定方法 r t d 分布函數通常是通過示蹤實驗( 也就是擾動一響應實驗) 進行測定。其 基本原理是利用刺激應答技術，通過在某時或某段時間內引入一個示蹤，這樣進 口處流股的流體微團就被示蹤，也就是改變了流體的某些特性，譬如顏色、濃度、 溫度以及導電和導熱的特性。通過測定出口處流體的這些特性的變化就可以獲得 這種條件下的r t d 曲線。 目前能夠使用的方法有直接法和間接法兩大類。直接法一般是利用高時空分 辨率的儀器來進行示蹤物移動的拍照，從而估計其停留時間分布。實際上在實驗 中廣泛采用的是間接測量法，即在反應器入口處注入示蹤劑，在出口處測定示蹤 劑濃度的變化。測量濃度的方法很多，z e b o u d js 和b e l h a n e c h e b e n s e m r an 采用亞 甲藍示蹤劑，利用分光光度計，在6 6 0 r i m 下測量不同濃度的吸收度表征其濃度【l6 】； 宋海華【1 7 1 采用n a c l 做示蹤劑，利用電位分析法測量塔板上液體的濃度，分析塔 板液體流動取得了較好得效果；余國琮【l8 j 等采用n a c l 做示蹤劑，利用電導分析 的方法測得單、雙溢流實驗篩板上得液體停留時間分布，并用統(tǒng)計學方法研究了 停留時間實驗數據的隨機特性。 示蹤劑的引入使用最多的方法通常有：階躍法、正弦波法、理想脈沖法和任 第一章文獻綜述 意脈沖法1 2 0 。其輸入和響應形式如圖1 7 所示。 階躍法，如圖1 - 7 ( a ) 所示。在反應器內流體達到穩(wěn)定流動后，自某瞬時( t = 0 ) 起，連續(xù)在進口處加入某種少量示蹤劑，然后分析出口流體中示蹤劑的濃度隨時 間變化，以確定停留時間分布。 正弦波法，如圖1 7 ( b ) 所示。這種方法通常也叫頻率響應法。進入的流股 被三角函數形式的( 如正弦或余弦波) 示蹤劑所擾動。假如測試系統(tǒng)是線性的話， 那么進口示蹤和出口響應具有同樣的頻率。通常測定進出口的振幅，應用數學模 型就可以描述系統(tǒng)的流動特性。 脈沖法可分為理想脈沖法和任意脈沖法。分別如圖1 - 7 ( c ) 、( d ) 所示。理 想脈沖法是當時間為零時在很短的時間內把示蹤劑注入進口流股，而任意脈沖法 的示蹤劑的注入形式任意，這就克服了產生脈沖的實驗難度。 ( a ) 階躍，( b ) 正弦，( c ) 理想脈沖，( d ) 任意脈沖 圖卜7 幾種示蹤劑注入方法及響應曲線： f i g 1 - 7w a y so f t r a c e ri n j e c t i o na n dr t dc u r v e s 1 2 3 利用停留時間分布曲線對非理想流動的分析 1 2 3 1 非理想流動 流型是指流體流經反應器時的流動和返混情況，有平推流和全混流兩種理想 情況。平推流是假設所有物料在反應器的停留時間都相同等于物料通過反應器的 所需時間，不存在返混情況；全混流是假定新鮮的物料粒子與存留在器內的粒子 能在瞬間內達到完全混合，因而認為達到了最大返混，構成了某一確定的停留時 間分布。實際的流動狀況往往是處于上述兩種理想流動之間，稱為非理想流動。 1 2 3 2 停留時間分布曲線對非理想流動的解釋【1 9 】 r t d 曲線對流動系統(tǒng)的流動情況提供了診斷工具。圖1 8 代表了幾種用r t d 9 第一章文獻綜述 曲線判斷系統(tǒng)的流動情況。 ( 1 )曲線的峰形和預想的相符合； ( 2 ) 出峰太早，說明系統(tǒng)內可能有短路或者溝流現象： ( 3 ) 出現幾個梯降的峰形，表明系統(tǒng)內可能有循環(huán)流動； ( 4 ) 出峰太晚，可能是計量上的誤差，或者示蹤劑在系統(tǒng)內被吸附與器壁所致； ( 5 ) 出現兩個峰，說明系統(tǒng)中可能有兩股平行的流。 d ) 圖1 8 幾種非理想流動的r t d 曲線 f i g 1 - 8r t da 岫、，髂i nn o n i d e a lf l o w 1 3c f d 基本理論及應用軟件簡介 1 3 1c f d 基本理論 計算流體動力學( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，簡稱c f d ) 是通過計算機數 值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統(tǒng)所做的分 析。c f d 的基本思想可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的 場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過 一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后 求解代數方程組獲得場變量的近似值 2 1 - 2 3 】。 c f d 可以看作是在流動基本方程( 質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒 方程) 控制下對流動的數值模擬。通過這種數值模擬，我們可以得到極其復雜問 題的流場內各個位置上的基本物理量( 如速度、壓力、溫度、濃度等) 的分布，以 及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。還 可據此算出相關的其他物理量，如旋轉式流體機械的轉矩、水力損失和效率等。 此外，與c a d 聯(lián)合，還可進行結構優(yōu)化設計等。 c f d 方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實驗測量方法組成了研究流體流動問題 1 0 、 一 ， _ i 一 一 ， 叢 第一章文獻綜述 的完整體系。理論分析方法的優(yōu)點在于所得結果具有普遍性，各種影響因素清晰 可見，是指導實驗研究和驗證新的數值計算方法的理論基礎。但是，它往往要求 對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。對于非線性情況，只有少數 流動才能給出解析結果。實驗測量方法所得到的實驗結果真實可信，它是理論分 析和數值方法的基礎，其重要性不容低估。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場 擾動、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過試驗方法得到結果。此外， 實驗還會遇到經費投入、人力和物力的巨大耗費及周期長等許多困難。而c f d 方法恰好克服了前兩種方法的弱點，在計算機上實現一個特定的計算，就好像在 計算機上做一次物理實驗。例如，機翼的繞流，通過計算并將其結果在屏幕上顯 示，就可以看到流場的各種細節(jié)：如激波的運動、強度，渦的生成與傳播，流動 的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。數值模擬可以形象地 再現流動情景，與做實驗沒有什么區(qū)別。 采用c f d 的方法對流體流動進行數值模擬，通常包括如下步驟【2 4 】： ( 1 ) 建立反映工程問題或物理問題本質的數學模型。具體地說就是要建立反 映問題各個量之間關系的微分方程及相應的定解條件，這是數值模擬的出發(fā)點。 沒有正確完善的數學模型，數值模擬就毫無意義。流體的基本控制方程通常包括 質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。 ( 2 ) 尋求高效率、高準確度的計算方法，即建立針對控制方程的數值離散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的計算方法不僅包括微分 方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。這 些內容是c f d 的核心。 ( 3 ) 編制程序和進行計算。這部分工作包括計算網格劃分、初始條件和邊界 條件的輸入、控制參數的設定等。這是整個工作中花時間最多的部分。由于求解 的問題比較復雜，比如n a v i c r - s t o k c s 方程就是一個十分復雜的非線性方程，數 值求解方法在理論上不是絕對完善的，所以需要通過實驗加以驗證。從這個意義 上講，數值模擬又叫數值試驗。 ( - 4 ) 顯示計算結果。計算結果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分 析質量和結果有重要參考意義。 第一章文獻綜述 1 3 2c f d 應用軟件簡介及選擇 在國外眾多計算流體力學商業(yè)軟件中，比較著名的有美國c h a m 公司等推 出的p h o e n i c s ，g o s m a n 公司等推出的t e a c h 系列及f l o w 3 d ，美國f l u e n t 公司推出的f l u e n t 系列，以及英國a e a 公司推出的c f x 和s t a r - c d 。國內 也開發(fā)出了一些試用軟件，如：t e a m 和f a c i 等。另外還有一些用于特定領域 模擬的軟件，如f l u e n t 公司開發(fā)的m i x s i m 專用于攪拌釜的模擬。c f d 軟件 一般包括三個主要部分：前處理器( 建模、網格生成等) 、解算器( 具體的數值 運算) 和后處理器( 運算結果的具體演示) 。由于計算流體力學軟件的出現及不 斷改進，使得計算流體力學的研究從以前需要編程、調試等繁雜的工作中解脫出 來，從而使研究者集中精力對復雜流體問題內部規(guī)律進行更深入細致的研究【2 5 】。 f l u e n t 公司開發(fā)的f i ，i 劇t 6 0 及其后改進版本可以模擬計算各種復雜流 動問題，從不可壓縮( 低亞音速) 到輕度可壓縮( 跨音速) 直到高度可壓縮( 超 音速) 流體都適用。f l u e n t 6 0 本身所提供的數學模型可以準確的預測層流、 過渡流和湍流，以及多種方式的傳熱和傳質、化學反應、多相流和其它復雜現象。 它可以靈活地產生非結構網格，以適應復雜結構，并且能根據初步計算結果調整 結構以進行進一步精確計算。f i ，1 心t 6 0 可以從各種前處理器軟件導入網格， 具有很大的靈活性。f l u e n t 公司開發(fā)的前處理器軟件g a m b i t ，提供了多方位 的幾何輸入接口，可以直接通過c a d 作圖后導入幾何圖形【6 2 】。 1 3 3c f d 軟件在化學工業(yè)中應用現狀 c f d 軟件在化工行業(yè)中有著廣泛的應用，c f d 可以對這類設備中的流動結 構和局部效應進行深層次的分析，從而提高設備的性能，增加可靠性，并為產品 的設計提供強有力的依據。 一、攪拌槽設備的模擬 l a m b e r t odj 2 6 】等人用f l u e n t 軟件模擬無擋板的攪拌槽內層流流場情 況，模擬了攪拌槽徑向和軸向截面上速度矢量的分布。不同雷諾系數對概率密度 函數與軸向、徑向和切向速度矢量的關系的影響，預測出攪拌槽上下的兩個環(huán)狀 流動區(qū)域的位置和大小與不同雷諾系數的關系。 二、滴流床設備的模擬 根據前人的研究成果表明在滴流床中流體流動的分布與床的結構( 孔隙率分 布) ，粒子外部的潤濕程度、兩相入口的表觀速度有關。j i a n g y 2 7 1 通過液固兩相 流中毛細管力在顆粒潤濕因子f = 0 ，0 5 ，l 的情況下的作用、孔隙率分布的影響等 1 2 第一章文獻綜述 一系列c f d 模擬得出上述變量的數學關系。 三、流化床設備的模擬 隨著流態(tài)化技術在化工工業(yè)領域得到廣泛應用，流化床氣固兩相流動研究也 成為研究的重點。在過去幾十年中，研究模型主要分為歐拉一歐拉雙流體模型和 歐拉一拉格朗日模型。前者是將顆粒也看作流體，采用兩相流模型來求解。l i n h 等人【2 8 】建立了一維非黏性氣固多相流體流動模型，模型考慮了顆粒間的相互作 用。j e n k i n s 等人【2 9 】假設雙組分顆粒具有相同的湍流特性，建立了雙組分顆粒流體 動力模型。h u i l i n 等人【3 0 】建立了非等顆粒溫度的雙組分顆粒氣固兩相流動模型。 劉陽等p l 】在h u i l i n l 拘基礎上，采用大渦模擬方法模擬氣相湍流流動，對循環(huán)流化 床上升管中氣固兩相流動行為進行了計算。而歐拉一拉格朗日模型是將氣體看作 是連續(xù)介質，而將顆?？醋魇欠稚⑾啵跉W拉坐標系下研究氣相運動，在拉格朗日 坐標系下研究顆粒相運動，采用d p m ( s y 散相模型) 方法對之進行模擬。硬球模型 【3 0 】或軟球模型【3 1 】可以用來較好地模擬顆粒相的運動行為。 四、板式塔的模擬 板式塔的塔板效率的預測包括兩方面：板上氣液流動的預測和傳質的預測。 在用c f d 預測塔板上氣液流動狀況的問題上：李建斛3 2 】首先建立了比較簡單的 篩板塔液相流場計算模型，但是模型的計算結果和實際情況相差較遠。張敏則3 3 】 提出考慮垂直氣流阻力作用的k 一湍流模型，計算了篩板上液相的分布，在直徑 較大的塔板上算出了弓形區(qū)存在的返流區(qū)。但有些工況下未能算出返流區(qū)，這與 實際情況有差別。劉春江【3 4 】提出的塔板流相流場的單相流模型比較成功，即改進 的塔板流體流動時湍動能k 和湍流動能耗散率的輸運方程。但在兩相錯流時的 湍動能k 和湍流動能耗散率占輸運方程中增加了由于氣體穿過而造成液體湍動 能生成項即鼓動生成項。其返流區(qū)的計值仍低于自身實測值。袁希鋼【3 5 】等從 e l g h o b a s h i 等建立的兩相流雙流體模型出發(fā)，在推導液相動量方程時考