气泡羽流脱除CO2的传质建模与系统优化研究

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鼓泡柱式反应器普遍应用于水处理工艺中。通过气体鼓泡的方式,由气泡带动周围流体形成气泡羽流,气液两相得到充分接触,最终将液相中的目标气体吹脱,转入到气相中去。对于给定的反应器尺寸,我们需要确定水处理的最佳工况,以最低的能耗达到最理想的处理效果。但是由于实验在这一方面存在局限性,我们采用数值仿真模拟为主,实验方法为辅的手段来研究气泡羽流中CO2传质过程,为实际问题提供一个能够预测非稳态动力学和各种设计操作参数间定量关系的计算模型。本文从分析单气泡的运动传质着手,使用计算流体力学和实验测量技术两种方法对曝气池物理模型和原型内气泡羽流进行研究,从气液两相流流场特性出发研究气泡羽流的动力学特性,建立单个气泡和气泡群传质之间的联系,进一步研究分析气泡羽流的运动传质,开展了如下研究:首先,通过分析了单气泡在水中的受力与其传质情况,建立了单气泡在水中上浮与传质的耦合模型。使用Matlab对耦合后的常微分方程组进行求解,并将其与前人的研究结论进行对比,验证了模拟传质过程的可行性。结果表明该模型可成功地模拟单个气泡在水中的溶解,即模拟向液体相中的传质。虽然气泡向水中传质与本文所做的吹脱过程的传质方向是相反的,但单个气泡的受力与两相之间的传质机理是类似的,可以通过建立单气泡传质与气泡羽流传质之间的联系,将单气泡的传质推广到气泡羽流的传质中。其次,设计加工了鼓泡柱式反应器,使用高速摄像机拍摄了柱内气液两相流场,并通过粒子图像测速技术(PIV)分析了实验所拍视频,得出了气液两相流速度场和流线等,为实际问题提供了较好的分析方法。之后,使用CFD离散相模型模拟了鼓泡柱式反应器中气泡羽流的流态,即进气量对气液两相流流场的影响。已有数值模拟研究多采用欧拉-欧拉方法对气泡羽流进行研究,尽管欧拉-欧拉方法在一定程度上可以得出气泡羽流的低频振荡和其时间平均流动特性,但无法呈现出气泡羽流中单个气泡的运动轨迹和其运动特性。因此本文采用欧拉-拉格朗日方法,以离散相气泡的受力及其运动为出发点,来研究气泡群形成的气泡羽流的动力学特性。分别考虑了气泡羽流的流动状态、离散相的浓度分布、不同进气量下速度场的变化、不同进气量对气泡停留时间的影响。结果表明进气量越大,离散相浓度越高、流场的速度越大、气泡羽流结构的紊动现象越明显。但进气量和气泡停留时间不是简单的线性关系,增大到一定程度,气泡停留时间会呈现降低的趋势,原因在于气泡在流场中运动,本身存在着脉动和振荡,同时曝气形成的气泡羽流也会诱导出涡旋流场。离散相模型较好地再现了气泡羽流行为。最后,我们通过将单气泡的传质机理与模拟及实验的参数结合,对气泡羽流脱除CO2的效率进行了等效计算,计算得出不同进气量下CO2的脱除效率,以及曝气时间效率转化趋势等供实际工程参考。
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