气液两相逆流-错流撞击过程流动、传质特性的研究

As a high effective flue gas purification technique, gas-liquid impinging streams scrubber is also used in many other chemical engineering units. The liquid scrubbing solution usually has axial and tangential velocity components simultaneously at the nozzle exit. Thus both countercurrent and crossflow gas-liquid impinging play crucial role for gas-liquid two-phase flow and mass transfer in a scrubber. The flow pattern and mass transfer effects are the most key points. However, present research mainly concentrated on the commercial application purpose; the detailed report on the characteristics of flow and mass transfer of countercurrent-crossflow gas-liquid impinging streams is quite limited. Base on a new nozzle at whose exit the axial and tangential velocity components of the liquid scrubbing solution can be regulated continuously, this project is planned to investigate the flow and mass transfer of countercurrent-crossflow gas-liquid impinging streams on both macro (flow pattern, energy loss, mass transfer effect) and micro (local gas-liquid flow ratio, local residence time, local velocity distributions) scales through large cold model experiment, CFD simulation and theory analysis. It is anticipated to determined the relationship of the physical property, the operating condition and the structural parameters, the quantitative criterion of the flow pattern (or the whole flow field), the individual contribution of the countercurrent and crossflow gas-liquid impinging for mass transfer. Then a universal flow-mass transfer model for gas-liquid impinging streams in a scrubber can be obtained. It can be used to provide new method and theoretical basis for future engineering optimal design.

气液两相逆流撞击洗涤塔是一种高效烟气净化设备，也可用于多种化学反应过程中。洗涤液喷嘴出口通常具有切向和轴向液流速度，因此塔内同时存在气液逆流撞击和错流撞击两种流动、传质机制；两相流型转换和传质效果是其中的关键。国内、外现有研究多以产品开发为目的，未对洗涤塔内气液两相逆流-错流撞击过程的流动、传质特性进行系统考察。本项目在已成功开发了一种可连续调节出口切向、轴向液流流速的喷嘴基础上，采用大型冷模试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，从宏观层面（流型、阻力损失、传质效果）和微观层面（局部气液比、局部停留时间、两相速度分布）两方面进行考察，探索物性参数、操作参数、结构参数之间的耦合关系，建立气液两相逆流-错流撞击过程的流动模型；获得流型转换的定量判据或流场分布特性；"分解"确定逆流撞击和错流撞击对宏观传质效果的"贡献"；建立具有普适性的塔内两相流动-传质模型；为设备优化设计提供新方法和理论依据。

气液两相逆流撞击洗涤塔是一种高效烟气净化设备，也可用于多种化学反应过程中。洗涤液喷嘴出口通常具有切向和轴向液流速度，因此洗涤器内同时存在气液逆流撞击和错流撞击两种流动、传质机制；两相流型转换和传质效果是其中的关键。本项目采用大型冷模实验、理论分析和数值模拟，考察了不同粘度洗涤液、不同直径洗涤器内两相流动、传质特性。研究发现，改变旋流比和液气比两相流型会呈现空心锥流、两种环形流和泡沫流。旋流比和液气比均影响洗涤器的两相流型，但前者占主导作用。传质效果（解吸率）随旋流比先增后减，当两相流型为泡沫流时解吸率最高。洗涤器直径越小，泡沫流的操作域越广，解吸率数值越高。通过优化逆流和错流两个方向气液作用（轴向动量和切向动量）的比例，确定了洗涤液喷嘴的最优结构参数，并给出了估算传质效果的经验关联式，可供工程设计参考。在不同尺寸的洗涤器中，代表阻力损失的参数——压降随旋流比的变化与流型、传质效果一致，在泡沫流时压降数值最大；根据实验结果建立了洗涤器阻力模型。通过变化相同的轴向进液量和切向进液量进行对比实验，发现逆流撞击比错流撞击对宏观传质效果和阻力损失的“贡献”更大。洗涤器内气含率和压力沿截面的分布具有密切联系，在气相作用段和液相作用段，二者的分布趋势相近而在泡沫作用段分布近似相反。研究发现，气含率为75%-85%之间的区域在宏观上对应的是两相湍动、撞击最为剧烈的“泡沫区”，该区域湍流强度1%以上，并由此提出新参数“有效传质体积”。根据表面更新理论，结合本项目所考察洗涤器的具体结构特点，建立了两区段流动-传质模型，可计算两相传质效果。上述“有效传质体积”和模型也可用于分析其它出口液流为“旋转轴向流”的类似洗涤器内两相流动-传质特性。