气液两相在结构化填充床传递过程中的计算传质学方法研究

Gas-liquid two-phase mass transfer in structured packed bed is of great importance in industrial applications, and its characteristics and rigorous prediction is critical for developing mass transfer theory, enhancing efficiency of industrial processes and development of efficient equipment. In this proposal, it is to improve the Computational Mass Transfer Method by introducing Reynolds mass flux model to develop an anisotropy eddy diffusivity to realize simultaneous rigorous simulation of fluid velocity and concentration fields in the gas-liquid mass transfer in structured packed bed, which are shown to be characterized by the anisotropic eddy diffusion; to investigate the transport properties of the interfacial turbulence under the condition of turbulent diffusion by introducing random distributed concentrated point model at the interface in order to explore the macro-meso cross-scale simulation of the mass transfer process; to validate the proposed approaches by experiments, simulations of the processes of absorption, fixed bed catalytic reaction and catalytic distillation. Estimation method is also to be developed for efficiency of the processes based on the simulations. The purposes of the research include consummating mass transfer theory, better understanding interfacial mass transfer phenomena and contributing in turbulent mass transfer theory.

结构化填充床气-液两相传质过程具有十分广泛的工业应用，其传质特性及其准确预测方法研究对发展传质理论、提高工业装置效率、高效设备的开发都具有重要意义。本项目针对结构化填充床中气-液两相传质过程中的各向异性湍流传质现象模型化问题开展研究，应用计算传质学理论和方法，通过引入雷诺质流模型，建立各向异性的涡流扩散数学模型，实现填充床内浓度分布、流速分布的严格模拟；研究填充床内气-液界面湍动现象及其在湍流条件下的传递特性，引入随机点分布的界面浓度的模型，探索介观与宏观尺度传递现象相互作用的模拟方法；通过实验和高效吸收、固定床催化反应及催化精馏等过程的模拟对方法加以验证，并据此建立基于浓度分布的填充床过程效率评价方法。最终实现完善计算传质学理论，深入了解界面传递过程机理，力求在湍流传质理论上有所发展。

通过本项目研究，建立了较为完备的用于结构化填充床层传质过程模拟严格计算传质学模型，即可对具有各向异性传质过程进行严格模拟的Reynolds质流模型理论及其方法。该模型由于避免了Bossinesq假设，即基于湍流扩散系数与浓度梯度呈线性关系的各向同性假设，直接给出速度和浓度脉动量之协方差，即Reynolds质流项的理论表达式，通过对理论表达式中高阶项的模型化，建立了对Reynolds质流项的严格模型。基于这一方法建立了CO2吸收、醋酸乙烯合成、吸附等过程的严格模拟方法。该方法将Reynolds质流模型与湍流计算流体力学模型相结合，形成了结构化填充床层流速场和浓度场同时进行严格模拟的计算传质学方法。基于传质过程严格模拟，建立了结构化填充床层传质特性研究方法，通过浓度场模拟结果，建立了传质单元的物料平衡，进而获得了结构化填充床层传质系数的计算学方。建立了界面Marangoni - Rayleigh现象模拟的Lattice-Boltzmann-FDM模拟方法。该方法采用双分布LBM，即双BGK方程LBM（two-BGK-equation LBM）方法，实现了在LBM中的速度场和浓度场两个LBGK模型的求解，通过浓度场造成的动量源项对速度场进行修正，实现两场的相互耦合。通过该方法实现了界面Rayleigh与界面Marangoni现象的二维及三维模拟。本项目研究期间，共发表论文9篇；出版专著3部，其中在国外出版英文专著2部；培养博士后1人（已出站），博士学位获得者3名，硕士学位获得者4人。