水力喷射空气旋流器中射流流型及其对传质面积和气相压降的影响

为了进一步提高水力喷射空气旋流器（WSA）的传质效率以及认识射旋流体系的气液传质机理,对WSA中的射流流型进行了系统的观察研究,绘制出了不同进口气速下射流流型图。以CO₂-NaOH化学吸收体系测定了相应射流流型下的有效比相界面积a。结果表明,在低射流流速（≤4.42 m·s^-1）下,液相射流随着进口气速增大,主要存在稳态射流、变形旋线射流、破碎旋线射流、雾化旋线射流、贴壁雾化旋线射流5种流型;在高射流流速（≥6.19 m·s^-1）下,射流主要出现稳态射流、破碎旋线射流以及雾化旋线射流3种流型。a值与流型有关,雾化旋线射流下的a值大于其他流型下的对应值。低流速下的贴壁雾化,不利于气液两相充分接触,对应a值较小。a值与射流流速有一定关系,随着射流速度的增大而略有增大,且随着射流流速增大至8.84 m·s^-1以上,增大的幅度变大。     

水力喷射空气旋流器用于吸收处理工业尾气中的氨气

针对工业尾气中氨气吸收存在的传质效率低、设备易于堵塞等问题,本文采用新型超重力气液传质设备水力喷射空气旋流器(WSA),以稀硫酸溶液为吸收剂,开展了氨气吸收处理研究。研究考察了初始NH₃浓度、进口气速、喷孔面积以及中心排气管直径等操作参数和WSA结构参数对氨气吸收处理效率的影响。研究结果表明,NH₃吸收率随着初始NH₃浓度和进口气速的增大均呈现先增大后降低的规律。NH₃吸收率随着WSA的喷孔面积的增大先增大后趋于平缓,但却随着WSA的中心排气管直径的增大而降低,但压降也随之增大。在NH₃浓度为4500mg/m³左右,进口气速为26.46m/s时,采用喷孔面积为565.5mm²、中心排气管直径为32mm的WSA,NH₃吸收去除率可达99.5%以上。该工艺在工业尾气中的NH₃回收处理方面具有较大的应用前景。     

底部挡板与进气位置对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(water-sparged aerocyclone,WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备,可广泛用于废水、废气处理等环境工程中。为了改进水力喷射空气旋流器结构,提高其气液传质性能,本文通过废水氨氮吹脱实验研究了进气口轴向位置以及底部挡板的设置对气液传质性能的影响。实验结果表明,进气位置与底部挡板对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下,气相进口沿轴向下移对WSA内气液传质性能作用较小,但能够使其气相压降降低约为10%。在WSA主筒体底部液封区域设置挡板,能够强化WSA底部气液两相的混合,进而提高低液相循环流量下WSA内的气液传质性能,且随进气速度的增加,其效果越显著,研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

水力喷射空气旋流器分离空间结构对气液传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备, 可广泛用于废水、废气处理等环境工程过程中。为了优化水力喷射空气旋流器的分离空间结构, 本文通过废水氨氮吹脱实验对柱锥结合形WSA和柱形WSA分别进行了气液传质性能研究。研究结果表明, 分离空间结构对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下, 与柱形WSA相比, 柱锥结合形WSA具有更好的气液传质性能和略高的气相压降, 后者吹脱氨的体积传质系数提高了约8%, 主要原因在于柱锥结合形WSA内部具有更好的射旋流耦合雾化作用和离心超重力强化传质的综合效果, 使得两相比传质面积增大, 传质效率增高。研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

排气管直径与深度对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

对水力喷射空气旋流器(WSA)的中心排气管直径D_e和排气管插入深度S进行了设计优化研究,实验考察了不同D_e和S对WSA脱氨传质系数K_La和气相压降的影响,提出了综合评价传质过程效率的概念——单位压降传质效率η_p,讨论了D_e和S的设计取值。研究表明,当D_e增大时,K_La和气相压降均随之降低,较小D_e的WSA具有较高的气液传质性能,但气相压降比较大,而K_La和气相压降均随S增大而增大。综合能效关系表明,随着D_e的增大η_p增大,随着S的增大η_p出现先增大后降低的趋势,WSA设计中D_e与WSA直径D之比D_e/D宜为0.42～0.53,S与WSA筒体长度H之比S/H适宜取值约为0.70。     

水力喷射空气旋流器的气相压降特性

Water-sparged aerocyclone(WSA)is a new type of gas-liquid mass transfer equipment with high efficiency.The gas phase pressure drop characteristics in WSA was investigated in this study.With the increase of inlet gas velocity(u_g), the liquid jet presents three patterns: steady-state jet, deformed spiral jet and atomized spiral jet, and the pressure drop curves in WSA can be divided into three different regions, i.e., low pressure drop, abruptly increased pressure drop and high pressure drop.In the low pressure drop region, the liquid holdup in outlet gas(ε_L)is almost zero, and the gas pressure drop in WSA(Δp)increases with u_g.In the second region,ε_L develops from zero and Δp increases abruptly.In the high pressure drop region, ε_L and Δp increase with u_g. The mechanism of the three pressure drop regions is discussed.A non-dimensional empirical model is developed for the regions with low and high pressure drop, which correlates the Euler number with the gas Reynolds number based on the available experimental data and can be well used to predict the pressure drop in WSA.     

分离空间结构对旋流器流场和传质面积的影响

为了揭示分离空间结构对水力喷射空气旋流器(WSA)的气液传质性能影响作用机理,采用雷诺应力模型(RSM)和流体体积多相流(VOF)模型对圆柱型和柱锥结合型水力喷射空气旋流器内部耦合场进行了数值模拟,并以CO_2-NaOH化学吸收体系测定了这2种分离空间结构WSA的有效比相界面积。结果表明:分离空间结构对WSA内的射-旋流耦合场中轴向、切向和径向速度分布都有较大影响。柱锥结合型WSA的耦合场具有较高的切向速度、较低的轴向速度和较稳定的径向速度;而圆柱型WSA的耦合场具有较大的轴向速度、较小的切向速度和稳定性较小的径向速度场。与圆柱型WSA相比,柱锥结合型WSA的流体湍动能和有效比相界面积高于前者,这是后者传质效率高的主要原因。     

水力喷射空气旋流器用于含Cr（Ⅵ）废水处理

以SO₂为还原剂,采用一种新型的气液传质设备--水力喷射空气旋流器（WSA）对含Cr（Ⅵ）废水进行直接还原处理,得到了比较满意的效果。研究结果表明：当SO₂浓度为3582 mg·m^-3时,对Cr（Ⅵ）含量为1134 mg·L^-1的模拟含铬废水,循环处理6 min,Cr（Ⅵ）去除率可达99.9%以上。废水初始pH为碱性比其为酸性条件下,更有利于SO₂的吸收,提高了SO₂利用率,增强了处理效率。废水射流流速对处理效果的影响较小,但SO₂和Cr（Ⅵ）的浓度对处理效果有明显影响。随着SO₂浓度增大,处理效率增大;Cr（Ⅵ）的初始浓度增大,处理效率降低。研究结果为建立含硫气体还原处理含Cr（Ⅵ）废水新工艺提供了依据。     

水力喷射空气旋流器喷孔分布优化

为了进一步提高水力喷射空气旋流器(WSA)的传质性能,采用理论分析与实验相结合的方法,对其喷孔分布进行了优化研究。提出了基于同层相邻喷孔液相射流边界层相交于中心排气管表面的临界孔间距l_c的概念及其计算方法,实验考察了喷孔排列方式和喷孔间距对WSA脱氨传质效果的影响。研究表明,在传质性能上,WSA的射流喷孔按正方形排列优于三角形排列;喷孔间距对脱氨传质效率有明显影响,存在一个较优取值,其值约等于1.28l_c;从上往下到中心排气管出口处计算,侧壁开孔区长度应该占中心排气管长度的78%。研究结果为设计具有良好传质性能的WSA提供了依据。     

水力喷射空气旋流器中射流雾化过程模拟及其机理

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种新型高效的气液传质反应设备。采用雷诺应力模型和VOF两相流模型较好地模拟了WSA的气相压降特性、液相回流比和射流雾化过程,并讨论分析了雾化过程的机理。模拟和实验研究表明,WSA的气相压降随着进口气速的增加先后出现低压降区、压降突跳区、压降过渡区和高压降区4个特征区域,并给出了不同压降区域之间转折点气速的计算方法。射流在这4个压降区域里,分别表现为稳态射流、变形与袋式破碎、袋式破碎与剪切雾化和剪切雾化与离心分离等流态。射流在压降过渡区与高压降区的转折点左右实现充分雾化并达到最大相间传质面积。研究结果为建立基于WSA压降特性的射流雾化与流场调控方法提供了理论依据。     

喷孔直径对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种高效的超重力气液传质设备,为了进一步提高其传质效率,通过理论分析和吹脱氨实验研究,对其喷孔直径进行了优化研究。采用因次分析法对实验数据进行了归纳,得到了脱氨传质系数KLa的经验公式为:KLa=2.77×10-9uLI0-1Reg0.37ReL1.18Wel-1.05,运用该式可较好地预测喷孔直径对WSA脱氨传质性能的影响。研究发现,当废水射流流速恒定时,KLa随喷孔直径增大而增大,但当超过某一直径时,其增幅减小。综合考虑过程的能耗与传质效果之间的关系,喷孔直径的最佳取值应按dh=l06.39设计计算,l0为WSA的环隙宽度。     

垂直矩形窄缝通道内气液两相流型的研究

本文研究了矩形窄缝通道内气液两相流的流型.用目测和摄影方法得到气液两相向上并流的流型.用x-y函数记录仪测得各种流型下的压差频谱图.作出了以1/X_(tt)～G_t和j_(?)～Re为坐标的流型图.作者还用Lockbart-Martinelli方法计算了矩形通道内气液两相流的压降,并与实测值进行了比较.     

水力喷射空气旋流器用于含Cr(Ⅵ)废水处理

以SO2为还原剂,采用一种新型的气液传质设备——水力喷射空气旋流器(WSA)对含Cr(Ⅵ)废水进行直接还原处理,得到了比较满意的效果。研究结果表明:当SO2浓度为3582 mg·m-3时,对Cr(Ⅵ)含量为1134 mg·L-1的模拟含铬废水,循环处理6 min,Cr(Ⅵ)去除率可达99.9%以上。废水初始pH为碱性比其为酸性条件下,更有利于SO2的吸收,提高了SO2利用率,增强了处理效率。废水射流流速对处理效果的影响较小,但SO2和Cr(Ⅵ)的浓度对处理效果有明显影响。随着SO2浓度增大,处理效率增大;Cr(Ⅵ)的初始浓度增大,处理效率降低。研究结果为建立含硫气体还原处理含Cr(Ⅵ)废水新工艺提供了依据。     

微通道气液两相流型及界面面积测定

以氢氧化钠水溶液及纯二氧化碳气体为工质,研究了石英玻璃微通道中的气液两相流流型及两相界面面积.实验中可清晰分辨的流型为弹状流(Slug),弹状-环状流(Slug-annular)及搅拌流(Churn),由实验观测的结果建立了相应的流型图并与Triplett实验结果进行了比较,结果表明高液相表观流速对流型转换影响较大.在微通道中可以实现比较高的气液两相界面面积,实验范围内气液两相界面面积高达5 070 m2/m3.两相界面面积随气相表观流速的增加而增加,而液相表观流速对两相界面面积的影响则不显著.相对于弹状流区域,在弹状-环状流及搅拌流区域可以实现比较高的传质界面面积.搅拌流区域气液两相界面面积可以采用气液表观雷诺数进行很好关联,其绝对平均偏差仅为3.76%.     

上倾管高黏油气两相流型及压降特性

利用室内实验装置,对上倾管内高黏油气两相流的流型和压降特性进行了实验研究。实验中观测到7种流型,得到了不同工况下的压力波动信号及压降值。实验结果表明,由于液相黏度的影响,上倾管内大部分流型的过渡边界向流型图的左侧偏移,且黏度越大偏移程度越大。将流型数据与Barnea流型判断模型进行对比,发现在高黏度时两者误差较大。根据压降数据得出,由于高黏度时液滴的附着作用增强,在气液表观速度均较小时,会出现黏度增加而压降却减小的现象。验证了OLGA模型和Zhang模型对于压降的计算精度,发现高黏度时模型的计算误差远大于低黏度情况。通过高黏度闭合关系式对Zhang模型进行修正,结果表明可以显著地提高其计算精度。     

水力喷射-空气旋流器中气液传质特性及其机理

对一种新型高效的气液传质设备--水力喷射-空气旋流器(WSA)的传质机理进行了研究。分别采用化学吸收法(CO₂-空气-NaOH体系)和物理吸收法(CO₂-空气-H₂O体系)测定了不同进口气速、不同液体喷射速度下的有效相界面积a和液膜传质系数k_L,并由此得到体积传质系数k_La。结果表明,由于WSA中气液间的强交互作用,a、k_L以及k_La均随进口气速和液体喷射速度增大而增大。采用量纲分析法对实验数据进行了归纳,拟合出了a、k_L和k_La随气相Reynolds数Re_g、液相Weber数We_L之间的经验公式:a=0.0024Re_g^1.25We_L^0.079,Sh_L=35.31Re_g^0.2303We_L^0.13,k_La=6.52×10^-8Re_g^1.48We_L^0.21,这些关联式能较好地预测WSA的传质性能。研究还表明,在WSA中的气液射-旋流传质体系中,传质过程符合双膜理论、表面更新理论和溶质渗透理论,但以表面更新机理为主。     

喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响

喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响。以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律。实验发现,随着气速或液体射流Reynolds数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20%时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20%时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴。研究结果可为工业射流鼓泡反应器喷嘴结构的优化提供理论指导。     

U形弯头单元内气液两相流型及压降波动特性

对空气-水两相流在内径16 mm、弯曲半径100 mm的横向U形弯头单元内向上流动时的流型进行了实验研究。利用流动可视化技术及其相应压降波动规律实现了流型的客观识别。总结了不同流型的压降波动特性并据此提出了定量识别流型的新方法。实验范围内发现了分层-搅拌流、塞状-泡状流、段塞-波形流、环状-波形流和环状弥散流等5种与水平直管和垂直直管不同的流型。相比标准偏差,压降波动的功率谱（PSD）分布能更好地反映U形弯头单元内不同流型的流态演变特征与动力学特性。PSD分布的偏度或峰度与气液表观流速比的结合可以定量客观地识别U形弯头单元内的流型,流型转变时的气液表观流速比为1和13。     

绝热状态下板壳式换热器壳侧的流型与压降

实验研究了板壳式换热器波纹通道内垂直向上气-液两相流动的流型和压降特性,讨论了圆形波纹通道内流型特征及转变机理,根据相界面形态特征将流型划分为泡状流、弹状流、膜状流和搅混流;同时分析了流型与压降之间的关系,发现泡状流中的压降波动幅值最小,弹状流与膜状流次之,搅混流中压降波动幅值最大;获得了波纹通道内单相以及气-液两相压降的分布规律,拟合了单相压降关联式,并基于Lockhart-Martinelli理论,通过分析两相摩阻系数与Martinelli参数的关系拟合了波纹通道内两相流动压降关联式,发现Chisholm参数C的值与Chisholm最初建议的光滑管内层流-层流的值接近。