改性塑料规整填料的流体力学和传质性能研究

改性塑料规整填料的流体力学和传质性能研究
李迎春; 罗德勤; 方勇; 沈春银; 戴干策
【期刊名称】《《上海化工》》
【年(卷),期】2011(036)001
【摘要】主要研究了不同比表面积和开孔率塑料规整填料表面处理前后的流体力学和传质性能。

结果表明:经过表面改性后,传质性能可提高约20%～35%,开孔填料经表面改性后阻力不会增加,并且在低喷淋密度时传质效率提高显著。

【总页数】6页(P12-17)
【作者】李迎春; 罗德勤; 方勇; 沈春银; 戴干策
【作者单位】华东理工大学化学工程联合国家重点实验室(上海 200237)
【正文语种】中文
【中图分类】TQ327.8
【相关文献】
1.HSX型规整填料的流体力学和传质性能研究 [J], 李群生;李展展;于丹;程闯;王燕;石殷;刘玉东
2.TPI型规整填料的流体力学及传质性能研究 [J], 田馨;魏宏大;郭鑫宇;汤效飞;舒
亚胜;李群生
3.HX型高效规整填料的流体力学和传质性能研究 [J], 李群生;张德志;章慧芳;田原铭;胡晓丹;宋昌斌
4.表面改性塑料填料流体力学及传质性能研究 [J], 刘佳特;胡剑光;戴干策
5.改性塑料规整填料的流体力学和传质性能研究 [J], 李迎春; 罗德勤; 方勇; 沈春银; 戴干策
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新型工业填料开发与应用分析报告摘要填料塔是广泛应用于化学工程、环境工程、生物工程等行业工业生产中的一种气液分离设备，填料作为填料塔的核心构件，其性能对填料塔的操作性能及应用范围有极大的影响。

填料塔常用的填料主要有：以塑料、金属或陶瓷为材质的拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍环等散堆填料；也有以松木为材质的格栅填料（俗称木格子）或以金属（或塑料）为材质的板波纹填料等规整填料等等。

随着生产力和科技水平进步，越来越多的新型工业填料出现在工业生产中。

本文总结了近几年报道的多种不同类型新型工业填料，并力求较为详尽的列举各类新型填料，比较其优劣势，在此基础上，对未来新型工业填料发展提出展望。

关键词：新型工业填料工业生产总结未来发展背景填料塔作为传质分离设备，涉及蒸馏、吸收、解吸、萃取、结晶、吸附、过滤、蒸发、干燥、离子交换和膜分离等单元操作过程，属于量大面广的重要单元设备，被广泛应用于石油炼制、天然气加工、石油化工、精细化工、化肥、医药及环保等领域，并取得了显著的经济和社会效益。

特别是在二十世纪七十年代初，能源危机的出现使得填料塔技术取得了长足进步。

近三十年来，多种新型高效填料的研究，特别是波纹填料的开发成功及相关理论的发展，进一步扩大了填料塔技术更为广泛的应用。

美国著名学者Fair教授认为，最近的十年内，以气液接触的填料塔正在逐步取代板式塔；规整填料作为低压降下具有高传质效率的装置倍受青睐。

在我国，随着石油化工的不断发展，传质分离工程学的研究日益深入填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期。

填料塔作为气液传质设备的历史最早可以追溯到1836年用来水吸收氯化氢的操作以及1881年用于蒸馏过程。

1907年以焦炭、石砾、卵石等无定形的物体开始了填料的发展;而1914年出现的陶瓷拉西环填料(RashingRing),引领着填料塔的发展进入了科学轨道,标志着填料塔的研究进入了科学发展的年代。

尽管其实际生产效果仍没有很大的提高,却引起人们意识到塔内的气液分布性能对填料塔操作的重要性。

第55卷 第8期2004年8月化 工 学 报Journal of Chemical Industr y and Engineer ing (China)V ol 155 l 8August 2004研究简报规整填料塔液相流动的计算流体力学模拟张 鹏 刘春江 袁希钢 余国琮(化学工程联合国家重点实验室(天津大学)、天津大学化学工程研究所,天津300072)关键词 规整填料 计算流体力学 模拟中图分类号 T Q 02811 文献标识码 A文章编号 0438-1157(2004)08-1369-05CFD SIM U LAT ION S OF LIQU ID PHASE FLOW INST RU CT U RED PACKED CO LU MNZHANG Peng,LIU Chunjiang,YUAN Xigang and YU Guocong (K 1T 1Yu)(State K ey L abor ator y of Chemical Engineer ing (T ianj in Univ ersity ),Chemical Engineer ing Resear ch Center ,T ianj in U niver sity ,T ianj in 300072,China)Abstract Liquid flow behavior,such as velocity distribution,in the packed column is of considerable importance in determining column performance.U sing the volume -averaged method,a computational fluid dynamics (CFD)model was proposed to describe the liquid flow behav ior in a structured packing column w here the gas phase is stationary.A column packed with M ellapak 350Y had an inside diameter of 150mm and a height of 1000mm w as simulated by solv ing the flow equations.A commercial CFD code,PHOEN ICS 313,w as used to predict the fluid dy nam ics behavior of the liquid phase flow.The simulated profiles of pressure,velocity and concentration of the tracer w ere presented.T he ax ial backmix ing coefficients evaluated by the CFD results were presented and compared w ith the experim ental data and the relative deviation w as 318%)3618%.Keywords structured packing,computational fluid dynamics,simulation2003-09-22收到初稿,2004-02-13收到修改稿.联系人:刘春江.第一作者:张鹏,男,33岁,博士,现在吉林化工学院工作.基金项目:国家自然科学基金项目(No 120206021)和天津市自然科学基金项目(No 1023606711)共同资助.引 言规整填料因具有诸多优异性能,已在工业上广泛应用,但是至今人们对规整填料内流体流动机理的研究还不是十分透彻,从而限制了其进一步的发展和更新.与散堆填料不同,规整填料在结构上既有规整性又有复杂性,属各向异性,因此对其内流体流动的研究具有一定的难度.而现代计算流体力学(computational fluid dynamics,简称CFD)的发展和计算机的快速更新换代,使得用CFD 方法解决填料塔内的问题成为可能.从事这方面研究较早 Received date:2003-09-22.Corresponding author:Dr.LIU Chunjiang.E -mai l:cjliu @tju 1edu 1cnFoundation item:supported by the National Natural Sci ence Foun -dation of China (No 120206021)and the Natural S cience Foundation of T i anjin (No 1023606711).的有余国琮学科组[1],他们曾以严格的Navier -Stokes 方程(简称N -S 方程)(或Reynolds 方程)及连续性方程为基础,用较简化的边界条件对填料塔内带有传质(增湿、减湿)的气液两相流流动进行了模拟,在求解速度分布的同时与传热和传质方程联解求出温度及浓度(湿度)分布.1998年,Krishna 学科组[2~4]对规整填料反应床内的液相返混进行了实验测定和CFD模拟.他们使用的填料为KATAPAK-S规整填料.实验为气液两相流,为便于CFD计算,引入了Toblerone模型的概念,使两相流问题简化为单相流来处理.另外,陈强[5]、王金戌[6]等也曾对板波纹规整填料层混合单元内流体的流动进行过数值模拟,其研究对象为JCPT塔板提升管上垂直放置且整齐排列在一起的一段规整填料中的一个混合单元,气液两相在填料通道中的运动按拟均相处理.他们采用三维有限差分技术,运用N-S方程研究计算层流状态下强制流动流体在填料混合单元内的三维流场,并给出了混合单元内两流道交界面处的三维流场图,对交界面处流体的混合机理进行了分析.最近,Szu-l czew ka、Zbicinski和Gorak[7]利用其所建的CFD模型研究了Mellapak250Y规整填料内气液两相的相际接触面积随气液相流速、流体物性等的变化情况,通过与实验数据对比表明用CFD方法研究规整填料内流体的流动状况具有可行性和优越性.本文主要论述在直径为150mm、高为1000 mm、填料为Mellapak350Y的规整填料塔内液相单相流流动状况的模拟过程和模拟结果.1模型的建立在计算流体力学理论中,被广泛应用和认可的基本方程为质量守恒方程(连续性方程)和动量守恒方程(N-S方程).而这些基本方程是对连续介质而言的,对于规整填料塔内流体的流动,液相常为分散相,因此,建立描述填料塔内流体流动规律的流体力学模型就必须对非连续介质连续化.作者通过引入表征体元的概念,采用体积平均的方法使非连续介质连续化,建立了描述规整填料塔内气相速度为零时液相流动的计算流体力学模型.详细的推导过程参见文献[8],其中体积平均的各方程如下.体积平均的连续性方程¨#(El Qlu l)=0(1)体积平均的运动方程5(Q l E l u l)5t+¨#(Q l E l u l u l)+E l¨p l-¨#(Q l E l T l#¨u l)-¨#(Q l D Q E l#¨u l)-F s l=0(2)式中D Q为弥散系数,需由实验测得的返混系数进行求算[8];F s l为液固相间的相互作用力,可采用下式计算[9]F s l=-215L l(1-E l)2d2e E2l-1192Q l(1-E l)|u l|d e E5/4l u l(3)体积平均的质量传递方程5(E l c)5t+¨#(E l u l c)-D AB¨2(Elc)-¨#(D Q E l#¨c)=0(4)以上建立的连续性方程、运动方程和质量传递方程可直接用于层流的计算.对于湍流情况,需对以上各式进行Reynolds平均处理.2液相单相流速度场的模拟211模拟过程用PHOENICS313软件模拟液相单相流速度场的步骤如下.(1)建立物理模型.填料塔的塔壁为不锈钢,塔直径为150mm,塔高为1000mm,填料为Me-l lapak350Y规整填料.主流体为水,液相入口为塔的上端面,下端面为液相出口.(2)划分网格.因本文选用的是直角坐标系,这样划分的网格是严格正交的.各方向的网格数为:x方向(即填料片伸展方向)为30;y方向(即与填料片垂直的方向)为30;z方向(即轴向方向)为50.(3)确定边界条件.入口边界主要确定流体的密度、进口流速;出口边界主要确定出口截面处的压力,若出口处同时有流体流入,还需给定流入流体的速度;塔壁为无滑脱边界.(4)选择湍流模型.根据填料内流体的表观流速及流体的物性确定选择层流模型还是湍流模型,对于湍流模型本文选用k-E双方程模型.(5)确定各求解变量的初值.根据实验条件确定各变量的初值,并根据计算的收敛情况不断调整.(6)确定有效涡流扩散系数.在PHOEN ICS 软件中,可通过在运动方程的扩散项前乘以一个系数来改变涡流扩散系数的值.在具体实现方法上可通过在Q1文件中使用PATCH和COVAL语句.对于规整填料,因其各方向的扩散程度不同,与填料片垂直方向的扩散系数是沿填料片伸展方向的扩散系数的0101倍,因此在运动方程中,若沿填料伸展方向的扩散项乘以系数c,则与填料片垂直方向的扩散项就应乘以系数0101c.另外,填料在装填时,通常相邻两盘间要成一定角度,而本文模拟#1370#化工学报2004年8月的是相邻两盘填料的伸展方向成90b角,这样每经过一盘填料,x、y方向的扩散系数就要互换.(7)加入相间相互作用力项.液固相间相互作用力F s l可视为源项.(8)确定数值方法.确定计算的迭代步骤、收敛精度、变量的限定区间,并根据收敛速度调节松弛因子.212模拟结果下面以压力为017MPa、液相流量为500L#h-1的一组实验为例阐述液相单相流的模拟结果.由实验数据[8]求得此条件下液相在填料缝隙间的有效流速为010714m#s-1,返混系数为010046m2# s-1,液相相含率为0117.此条件下的模拟结果如下面各图所示.图1为填料塔内压力场的模拟结果,图中显示的为y=75mm处的x z剖面的动力压力分布,从液相入口到出口压力逐渐降低,这主要是由于液体在填料塔内流过时受到固体填料和塔壁面摩擦阻力作用的结果.可见,对于350Y型规整填料,当水以500L#h-1的流量流过1m长的填料床时,产生的动力压力降为1146kPa.图2为填料塔内速度场的模拟结果,此图为y=75mm处的xz剖面图.由图可见,液相主要沿z方向流动,x、y方向的速度分量很小.这是因为本文建立的模型是体积平均模型,模型中各变量都具有体积平均的意义,即为表征体元内的相平均值,这样,对于液相速度而言,在表征体元内x正方向的速度和x负方向的速度数值基本相等,方向相反,结果使体积平均后的u x数值很小,而与填料片垂直的y方向的速度本来就很小,体积平均后使u y值更小.模拟结果表明u x、u y的数量级在10-6m#s-1左右,近似为零,这也说明本文建立的模型还不能精确地描述填料塔内径向速度的分布情况.而z方向速度u z作为主流速度,其值与流体的有效流速基本相等, u z沿轴向方向变化也不大,只是在入口段速度稍有下降.u z沿x、y方向的分布示于图3,该图分别给出了液相入口和液相出口处x y剖面的液相轴向速度分布.由图可见,在液相入口处轴向速度沿径向变化较大,从中心向壁面逐渐变小,而在液相出口处轴向速度沿径向基本不变化,显然近壁处的模拟结果不是很精确,这主要是由于近壁处的网格划分得不够十分细的缘故.Fig11Profile of pressurein xz cross-sectionF ig12Profile of liquid veloci tyin x z cross-sectionFig13Profile of u z in xy cross-section3液相单相流浓度场的模拟311模拟过程本文采用示踪剂法研究填料塔内流体的流动情况.示踪剂的加入认为对流场没有影响,这样,示#1371#第55卷第8期张鹏等:规整填料塔液相流动的计算流体力学模拟踪剂和流体可使用同一速度场,而通常示踪剂与流体的物性也非常接近,因此,模拟仍然认为在单相流条件下进行.模拟方法是在速度场模拟的基础上增加如下一些过程.(1)模拟变为非稳态过程.为获得某一轴向位置处示踪剂浓度的停留时间分布曲线以计算此处的轴向返混系数,浓度场的模拟应是一非稳态的过程.对于速度场而言,通常比较容易达到稳态,一般经过2~3个时间迭代步骤就基本不再变化.本文计算中选用的时间步长为015s,迭代步骤为80步,即40s.(2)在液相入口端面中心处增加示踪剂入口.模拟时先进行速度场的计算,当速度场稳定后再开始加入示踪剂,示踪剂采取脉冲注入方式.本文示踪剂的注入时刻为115s,注入时间为015s.(3)确定有效传质扩散系数.PH OENICS软件中,传质系数的引入是通过Schmidt数实现的.(4)确定浓度初值、松弛因子及每个时间步长内的迭代步骤,来提高收敛的速度和精度.312模拟结果与速度场的模拟一样,下面以压力为017 M Pa、液相流量为500L#h-1的这组实验为例阐述液相单相流的浓度场模拟结果.图4为不同时刻在x z剖面上示踪剂的浓度分布.由图可见,示踪剂刚开始加入时,因规整填料沿不同方向的返混系数不同,示踪剂的扩散速度也不同,沿轴向的扩散速度比沿与填料片垂直方向的扩散速度大.因相邻两盘填料垂直摆放,图中x轴在不同填料盘位置代表的方向不同.从上数第1盘填料,x方向代表与填料片垂直的方向,因此从115s时刻的浓度场图可见,示踪剂沿y、z方向的扩散速度远高于x方向的;第2盘填料,x方向代表填料片的伸展方向,如215s时刻的浓度场图所示,此时x、z方向的扩散速度远高于y方向的;以此类推.经过3盘左右的填料后,示踪剂已被填料均匀分布,其浓度沿径向已基本没有变化.由图也可看出,示踪剂在随着流体不断的流动和扩散中其最高浓度值在不断下降,其所在的位置也在不断向下游移动.根据示踪剂浓度场的模拟结果,即可绘出某一轴向位置处示踪剂浓度的响应曲线,据此便可反算出相应位置处的轴向返混系数.图5为不同液相喷淋密度时测试段长度为1m时的液相单相流轴向返混系数的模拟值与实验值[8]的比较,它们的偏差在318%~3618%之间,图中也显示液相轴向返混系数随液相喷淋密度的增大而增大,这主要是由于液速的增大使相间相互作用力增大导致的.Fig14Profile of liquid tr acer concentration in x zcr oss-sect ion at different t ime stepsF ig15V ar iation of D e,l with l4结论采用体积平均的方法建立了规整填料塔内液相单相流的体积平均连续性方程、运动方程和质量传#1372#化工学报2004年8月递方程,并用PHOEN ICS313软件对速度场和浓度场进行了模拟,给出了不同剖面的压力分布图、速度分布图和不同时刻x z剖面的示踪剂浓度分布图.模拟结果能反映规整填料内液体的流动情况,但在近壁处的模拟结果因受网格数目的限制而不是很精确.还根据模拟的示踪剂浓度分布对液相单相流的轴向返混系数进行了反算,所得的结果与实验值的偏差小于37%.符号说明c)))浓度,kg#kg-1D A B)))分子扩散系数,m2#s-1D e,l)))液相轴向返混系数,m2#s-1D Q)))弥散系数,m2#s-1d e)))填料的等效直径,mF s,l)))液固相间相互作用力,Pal)))液相喷淋密度,m3#m-2#h-1p)))压力,P at)))时间,su)))速度,m#s-1u l)))液相速度,m#s-1x,y,z)))Cartesian坐标El)))填料床层中液相含率L l)))液体黏度,Pa#sT)))运动黏度,m2#s-1Ql)))液体密度,kg#m-3References1Yu K T,Yuan X J,Dong G Q.Tw o Phase Flow and Heat Transfer.IS M E,1992(2):215)2212Coen van Gulijk1Using Computational Fluid Dynamics to Calculate Transversal Dispersion i n a Structured Packed p1Che m1 Eng1,1998,22:s767)s7703Higler A P,Kri shna R,Ellenberger J,T aylor,R.Counter-current Operation of a Structured Catalyticall y Packed-bed Reactor: Liquid Phase M ixing and M ass T ransfer.Chem1Eng1Sci1, 1999,54(21):5145)51524van Baten J M,Ellenberger J,Krishna R1Radial and Axial Dispersion of the Liquid Phase W i thin a KATAPAK-S Structure: Experiments v s.CFD Simulations.Che m1Eng1S ci1,2001, 56(3):813)8215Chen Qiang(陈强).Fluid M echanics Behavior of Gas-Liqui d Flow for JPCT and Three-dimensional M odeling of the Upward Forced Fl ow T hrough a M i x i ng Cell of Structured Packing:[dissertation] (学位论文).Tianjin:Tianjin Universi ty,19986Wang Jinxu(王金戌).S tudy on Liquid Velocity Field on Jet Coflow Packing T ray and Its Effects on Dis tillation:[dissertation] (学位论文).Tianjin:Tianjin Universi ty,19987Szulczew ka B,Zbicinski I,Gorak A.Liquid Flow on Structured Packing:CFD S i mulation and Experimental Study.Chem1Eng.T echnol1,2003,26(5):580)5848Zhang Peng(张鹏).Ex peri m ental Studies and C FD Simulations of Fl uid Flow and M ass T ransfer in a Structured Packed Column at Elevated Pres sure:[dissertation](学位论文).Tianjin:Tianji n University,19989Hsu C T,Cheng P.Thermal Dispersion in a Porous M edium.I nt1J1Heat M ass T ransf er,1990,33(8):1587)1597#1373#第55卷第8期张鹏等:规整填料塔液相流动的计算流体力学模拟。

谈改性HDPE复合材料物理力学性能-初中物理论文-教育论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：改性HDPE复合材料是一种新型的高分子材料，在建筑工程项目、汽车行业、航空航天领域都有广泛的应用。

该材料具有良好的物理力学性能，能够满足现代机械制造工业的要求，达到节能减排的效果。

改性HDPE复合材料的具体物理力学性能受到制备技术的影响，通过对改性HDPE复合材料的制备工艺技术展开探索，对比不同含量HDPE下复合材料的不同物理力学性能，旨在找到一种高效率、高性能的改性HDPE复合材料。

关键词：改性HDPE复合材料；物理性质；力学性能近年来，构建能源节约型、生态环保型社会已经势在必行，在传统粗放式经济形势下，各行业形成的传统生产方式、生产原料明显不再适应时代发展的要求，在绿色环保发展理念的影响下，引入新型材料、新型工艺技术至关重要。

改性高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene，HDPE）复合材料作为一种新型的工艺材料，具有良好的物理力学性能，因而得到广泛的应用。

本试验通过对改性HDPE复合材料物理力学性能的探讨，旨在全面提升社会对其的科学认知水平，为改性HDPE复合材料的优化应用奠定良好的基础。

1改性HDPE复合材料的应用意义HDPE具有耐湿性、介电性以及化学稳定性等良好的加工性能，在各行业的应用中，通过添加填充料使其满足原料需求。

但是，在HDPE 复合材料的加工应用过程中，发现其存在机械性能差、老化程度严重以及表面硬度低等缺陷，严重制约了HDPE复合材料的规模化、市场化应用，因此，展开HDPE复合材料的改性研究意义重大。

根据高分子材料的生产制备工艺原理可知，可以通过填充填料的方式，展开高密度聚乙烯材料的改性制备，而填充的杂料不同获得的力学性能等是不同的。

如当前有学者指出，可以采用熔融共混法制备乙二胺公价功能化改性高密度聚乙烯复合材料[1]，由此增强了HDPE复合材料的耐热稳定性能。