第1章前言
1.1课题背景
在化工过程中，蒸馏过程是耗能最大的单元操作过程之一，有人估计分离过程约占化学工业过程耗能的40%，其中95%是蒸馏过程消耗的。美国曾经统计全国40，000多个精馏塔的每年耗能总量相当于120万桶石油。精馏过程大多在精馏塔内完成，特别近年来，规整填料的广泛应用，由于规整填料压降小，使精馏过程能耗降低，产品质量得到很大的提高。CO:捕集与封存是当前颇受关注的问题。化学吸收法被认为是捕集CO:最普遍和最有效的方法之一。化学吸收法中气液反应一般为中快速反应。针对采用吸收剂的不同，捕集COZ较成熟的工艺有热钾盐碱法、氨水法、醇胺法等。而醇胺法是近年来研究最多的方法之一[3]。对于燃烧后捕集co:工艺目前主要为问题能耗大[3]，尤其是解吸过程，而吸收过程主要在填料塔中进行，尤其是效率高，通量大的规整填料塔，因而提高规整填料的效率对于节能和COZ捕集都具有重要的现实意义。从多尺度的角度来看，规整填料主要由宏观结构和微观结构组成。宏观结构主要指填料层、填料片以及波纹通道，对于微观结构主要为壁面微结构如凸点、条纹、小波纹、孔等，如图1.1所示。宏观尺寸主要影响气液相的基本流动形式，而微结构可促进液膜的铺展与湍动，对传递过程有重要影响。规整填料表面液相流动主要以液膜流动形式为主，因此研究壁面液膜流动特性具有重要意义，由于规整填料表面具有一定的微结构，因此研究微结构表面的液膜流动显得更为重要，但是，由于波纹板结构复杂，直接研究波纹板上液膜流动特性时，影响因素较多，不易数据的分析，因此将复杂的波纹板改为垂直板进行研究，尤其是具有一定表面微结构的垂直壁面上的液膜流动特性，可以有效的指导填料表面微结构的设计，从而有效提高规整填料的性能。
微结构的形式是多样的，本实验室罗德勤等研究表面微结构与润湿性、成膜条件关系研究时发现，表面微结构可能呈现正负不同作用，水平条纹阻碍成膜，垂直条纹促进成膜。但对两种条件下的液膜特性未做研究。现有文献未发现这类微结构的形状及尺寸表面上液膜的实验研究。本文将首先研究光滑壁面液膜特性的基础上，对微结构壁面上液膜进行详细的研究，同时对丝网表面及孔上液膜进行了研究。随着计算机技术的发展，CFD(ComputationFluidd”amies)技术的应用，通过数值模拟研究规整填料的气液两相流动状况成为一种新的研究方法。在实验研究方面，测量技术的不断进步，由早期的接触式测量到近年的非接触式测量，测量精度不断提高，为实验研究的准确性提供了可靠的保证。本文主要以实验研究为主，同时也对光滑壁面及微结构壁面的液膜流动进行了数值模拟。
第2章文献综述
2.1填料发展历史
现代塔器分为填料塔和板式塔，板式塔的研究较早，其压降和传质性能模型成熟，适用性好。与规整填料相比，尽管板式塔效率高，但压降大，通量小，持液量较大，但是由于其易于放大，结构简单，造价较低，因此在填料塔大规模应用以前板式塔的研究较多;20世纪70年代以后，随着能源危机的出现，填料塔逐步受到人们的重视，近30一40年来，填料塔应用与研究取得了长足的发展，冲击了蒸馏过程以板式塔为主导的局面。填料塔具有效率高，压降小，持液量少等优点，使其成为石化，化纤，轻工，制药等领域气液接触的主要设备之一。
第3章垂直壁面下降液膜流动特性..............................15
3.1引言...............................15
3.2实验部分...............................15
3.3实验结果与讨论..............................17
3.4本章小结..............................29
第4章垂直降膜波动特性CFD模拟..............................30
4.1引言..............................30
4.2二维垂直降膜流动物理模型及模拟物系..............................30
4.3垂直降膜流动的二维数学模型..............................31
4.4计算结果及讨论...............................34
4.4.1光滑壁面CFD模拟结果..............................34
4.4.2周期凹槽壁面CFD模拟结果..............................40
第6章结论
6.1主要结论
本文主要研究了微结构铝板表面垂直降液膜流动特性，并通过CFD模拟周期凹槽壁面结构尺寸对液膜波动特性的影响。微结构的存在促使了液膜波动结构的改变，如微结构壁面液膜膜厚，波动振幅及频率较光滑壁面都有不同程度的增加;CFD模拟不同周期凹槽结构尺寸对液膜波动的影响，表明刀T对液膜波动的振幅，波速及波长有一定的影响;;最后对几种复杂壁面即微结构壁面降液膜传质特性进行了研究。具体研究结果如下:
(1)微结构壁面上液膜的平均厚度大于光滑不锈钢板，随Re增加，膜厚的差别减小。对于低Re下，同样流量下微结构壁面的液膜厚度较厚，平均增加约17%，即流速较光滑板慢，停留时间长，气液相接触时间长，利于传质的进行。
(2)对于微结构壁面上液膜波动的平均振幅大于光滑不锈钢板，尤其是刻有菱形条纹的铝板更加明显，平均增幅约30%;竖条纹微结构铝板液膜波动频率依次大于菱形条纹及光滑壁面液膜波动频率。
(3)建立二维降膜流动模型cFD数值模拟，与实验结果吻合较好，但是该模型为二维降膜流动模型，而实验中液膜为三维流动，因此随液膜沿流动方向流动及Re的增加，CFD模传拟与实验结果偏差增加。在对光滑壁面液膜流动模拟基础上，对于具有周期凹槽壁面的液膜流动进行数值模拟，主要考察壁面结构对液膜流动特性影响，如平均膜厚、平均振幅、波速，频率等。结果表明，周期壁面波谷处的平均液膜厚度随刀T增加而增加，对波峰处平均厚度影响较小;平均振幅在刀T=0.6时取得极大值;波速及波长随刀T先增加后减小，在刀T=0.3时存在极大值;壁面周期尺寸对液膜波动频率影响较小。因此可以从液膜流动流体动力学和传质动力学关系的角度，利用CFD模拟技术优化壁面结构，强化递过程。
