1、 本科生毕业 论文 题目 文丘里洗涤器的实验研 及 CFD 模拟 学院名称 化学工程学院 专业名称 化学工程与工艺 学生姓名 刘付杰成 指 导 教 师 曹睿副教授 起止时间： 2016 年 3 月 1 日至 2016 年 6 月 10 日单位代码： 11414 学号： 2012010562 摘 要 I 摘要 我国化学工业实现可持续发展现状，我国化学工业经历了半个世纪的发展 ,已经形成了门类比较齐全、品种大体配套并基本可以满足国内需要的化学工业体系，但随之而来的是严重的空气污染。 在工业生产加工过程中会产生大量的带尘烟道气，是给大气带来严重污染的主要因素之一，但目 前关于这方面的研究较少，本文是
2、在煤化工除尘条件下对影响文丘里洗涤器水力性能的结构参数及工作状态进行研究，通过 CFD计算流体力学软件对文丘里洗涤器内部流场进行探究。以进口管直径 50mm 的文丘里管作为研究对象，进行单变量研究。运用实验和 CFD流体力学数值模拟相结合的方法，研究不同进流量、喉管长度和扩张段锥度等结构参数对文丘里洗涤器出口断面流速、管内压力分布和内部流动均匀性的影响。对喉管长度分别为 50mm， 75mm和 100mm 的文丘里管进行单空气和空气 水两相实验，并且在实验的基础上分析流场分布。再对单空气相进气 的文丘里管进行数值模拟验证，对比数值模拟和实验分析的结果，最终确定文丘里管优质运行状态下进气量、喉管
3、长度和扩张段锥度的选取。 关键字： 除尘；文丘里洗涤器；压降 ABSTRACT II Venturi scrubber experimental study and CFD simulation ABSTRACT The chemical industry to realize the sustainable development of our country , the development of chemical industry in China has experienced half a century and has formed a relatively complete c
4、ategories, varieties in general and basic can meet the needs of the domestic chemical industry system. But what followed was a serious air pollution. In the process of industrial production will produce large amounts of dust flue gas, is one of the main factors that bring the atmosphere serious poll
5、ution, but at present the research about this aspect is less, This article is based on research that study the structure parameters of influence _ venturi scrubber hydraulic performance, To explore internal flow field of venturi scrubbers by CFD computational fluid dynamics software . In this paper,
6、 based on the import of pipe diameter of 50 mm venturi tube as the research object, carries on the single factor study . Combining experimental and CFD numerical simulation method to explore how different inlet flow rate, throat pipe length, expansion taper and other structure parameters effect on e
7、xport section velocity, pressure distribution and the internal flow uniformity within the tube. The length of the chokes are provided 50mm, 75mm, 100mm venturi tube for single air and air - water two-phase experiments, meanwhile analyze the flow field on the experimental basis. For single phase air
8、intake venturi tube is used to numerically simulate test and verify, comparing the results of numerical simulation results and experimental analysis ,and finally determine the air inflow， throat pipe length, expansion taper to ensure Venturi scrubber in a fine operation. Key Words： dust flue gas； ve
9、nturi scrubber； pressure drop 目 录 III 目 录 摘要 . I ABSTRACT . II 前 言 . - 1 - 第 1 章 文献综述 . - 2 - 1.1 课题背景 . - 2 - 1.1.1 我国煤化工发展现状 . - 2 - 1.1.2 煤化工加工流程 . - 2 - 1.1.3 减少空气污染的措施 . - 3 - 1.2 除尘 . - 4 - 1.2.1 工艺除尘技术应用现状 . - 4 - 1.2.2 除尘方式 . - 5 - 1.3 流体流动 15 . - 5 - 1.3.1 流体及其特点 . - 5 - 1.3.2 流体的性质 . - 6 -
10、 1.4 文丘里洗涤器 的除尘机理 . - 7 - 1.4.1 文丘里管 . - 7 - 1.4.2 除尘机理 . - 8 - 1.5 压降模型 . - 8 - 1.5.1 Calvert压降 模型 . - 8 - 1.5.2 环状流压降模型 . - 9 - 1.5.3 段振亚模型 . - 13 - 1.6 液滴模型 . - 17 - 1.6.1 Nukiyama和 Tanasawa 液滴直径关联式 . - 17 - 1.6.2 Boll et al液滴直径关联式 . - 18 - 1.7 软件介绍 . - 18 - 1.7.1 FLUENT介绍 . - 18 - 1.7.2 GAMBIT介绍
11、 . - 18 - 1.7.3 ORIGIN 介绍 . - 19 - 1.8 本章小结 . - 19 - 第 2 章 文丘里洗涤器扩张角 . - 20 - 目 录 IV 2.1 文丘里洗涤器扩张角度确定 . - 20 - 2.2 文丘里洗涤器优扩张角下气量的考察 . - 25 - 第 3 章 实验内容及数据处理 . - 29 - 3.1 实验内容 . - 29 - 3.1.1 实验目的 . - 29 - 3.1.2 实验设备 . - 29 - 3.1.3 实验设备流程图 . - 29 - 3.1.4 实验原理 . - 30 - 3.1.4 实验步骤 . - 31 - 3.2 实验数据及处理 .
12、 - 32 - 3.3 本章小结 . - 39 - 第 4 章 气液两相数值模拟 . - 40 - 4.1 文丘里洗涤器气液两相数值模拟 . - 40 - 4.2 模拟与实验的压力分布对比 . - 41 - 第 五章 结论 . - 44 - 5.1 文丘里洗涤器扩张角度对压力降的影响 . - 44 - 5.2 实验结论 . - 44 - 5.3 实验与模拟对比结论 . - 44 - 致 谢 . - 45 - 参考文献 . - 46 - 附录 1 文献翻译原文 . 错误 !未定义书签。 附录 2 文献翻译译文 . 错误 !未定义书签。 前 言 - 1 - 前 言 如今，大多数的工业生产甚至农业生
13、产中都会产生大量的烟道气，这些烟道气中含有大量的固体颗粒，即为我们熟知的灰尘。这些灰尘如若直接排放到大气中将会对周边环境直接造成污染，导致空气质量严重下降，更有甚者会成为当今社会热门关注的雾霾。因此，烟道 气除尘成为必不可少的研究课题。 在目前的众多研究中，文丘里洗涤器的除尘效果显著，是我们首选的的除尘设备之一。本研究即为文丘里洗涤器在烟道气除尘中的实验研究。使含尘气体与液体密切接触，利用液滴对固体颗粒进行捕集，从而把气体中的固体颗粒带走，达到除尘的目的。 文丘里洗涤器又称文丘里管除尘器。 除尘过程可分为雾化、凝聚和除雾三个阶段，雾化和凝聚阶段在文丘里管内进行，除雾阶段在除雾器内进行。文丘里管
14、包括收缩段、喉管和扩散段。含尘气体从文丘里洗涤器的收缩段进入，收缩段的缩径使流体流速增大，直径最小喉管是流速达到最大值。 液相从文丘里洗涤器的入口处加入，由于气液两相间相对流速很大，液相被高速的气相雾化，气体湿度增加，气相中的灰尘颗粒（简称尘粒）被液相润湿。尘粒与液滴或尘粒之间发生激烈碰撞和凝聚形成团聚物。进入扩散段后，流体流速减小，压力得到回升，以尘粒为核心的凝聚作用加快，凝聚成直径较大的团聚物，进而在除雾器内被捕集。 本文针对于工业除尘进行研究。本研究通过对不同型号的文丘里洗涤器进行实验及模拟，在改变文丘里洗涤器的喉管段长度、进气量及进液量等因素下，对其压力和压降进行研究比较。通过改变文丘
15、里洗涤器的喉管长度、气体流量、液体 流量等，研究文丘里洗涤器各部分的压力和压降的变化。 对于喉管长度的影响，目前说法不一， William1 认为， 文丘里洗涤器 的压力损失对喉管长度变化不敏感，天津大学段振亚 2 认为，喉管长度对于压力损失的影响不可忽略。 本文针对于喉管长度、进气量及进液量对文丘里洗涤器的压力和压降进行实验和模拟的研究比较，并对其分别作出分析和评价。 中国石油大学（北京）本科毕业论文 - 2 - 第 1 章 文献综述 1.1 课题背景 1.1.1 我国煤化工发展现状 煤炭是重要的化石能源，也是很多化工品的主要原料。 在我国，煤炭能源占到总能源的68%，而石油只占了 18%，
16、是典型的“少油富煤”的国家。 据统计， 2014年中国石油储量为 150亿桶，占世界石油储量的 1.1%。近年来我国原油的对外依存度持续保持在一个很高的水平。近些年来，随着经济的快速发展，我国逐渐建设有众多动力用煤产地，以煤炭为主要构成的能源消耗持续增长，煤化工在化工和能源领域中已占有重要地位。 因此，我国以煤炭资源为主的能源结构不会改变。 但值得注意的是，在煤化工生产的各环节中，都会有大量的粉尘产生， 不仅 影响了工业生产， 还对人们的健康有害。 因此为了保证生产安全以及后续工作能够正常进行，煤化工生产的各个环节对除尘 的要求十分严格，不同于环境保护规定中对大气中粉尘的限制条件。所以，煤化工
17、对除尘设备的要求也非常严苛。 另一方面，控制大气污染的规定近年来也变得越来越严格。为了满足规定的要求，高除尘效率的设备已经成为了研究的主题。尽管在化学工业中的除尘设备很多，但能除去 0.1 m 以下的颗粒的除尘器就寥寥无几了。文丘里洗涤器就是一种高效率的洗涤器。它结构简单，适用性强，但是其高除尘效率是以所提供的能量以及气体压力损失为代价的。因此，研究文丘里洗涤器的压降模型以及除尘效率是有重要意义的。 1.1.2 煤化工加工流程 煤化工可分 为传统煤化工与新型煤化工。传统煤化工包括甲醇、甲醛、合成氨 /尿素、乙酸、电石和乙炔衍生物等。而新型煤化工则包括煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烃、煤制天然气以及
18、煤制二甲醚。由于我国二甲醚市场的需求远低于预期，产能过剩，下面主要介绍其他 4 种煤 化工34 (1) 煤制烯烃 乙烯、丙烯作为重要的化工原料，其产量的高低一直被视为一个国家石化工业发达程度的标志。传统生产工艺是通过石脑油裂解制取乙烯和催化裂化副产丙烯。该工艺的不足在于其过分依赖石油，尤其是在石油资源日渐匮乏的今天，其前景令人十分担忧。因此，采用煤制烯 烃技术，可以在一定程度上减少我国对石油资源的过分依赖，对于推动石油贫乏地区的工业发展也具有重要意义。 国内的一些科研机构，如中国石油大学、中科院大连化物所、中国石化石油化工科学研究院等均开展了煤制烯烃的研究工作。在 MTP 工艺的研究方面，也取
19、得了重大的突破，由中国化学工程集团公司、淮南化工集团公司、清华大学联合开发了新一代煤制丙烯技术，即 FMTP,并于 2009年一次性开车成功 5 (2) 以煤为原料生产乙二醇，主要有三种工艺路线 6 。 第 1 章 文献综述 - 3 - 通过煤气化来制得合成气，合成气再经过一步直接制取乙二醇。其反应的化 学方程式如下： 2 2 22 C O + H H O C H C H O H 该反应的反应条件很苛刻，需要在高温高压和有催化剂的条件下进行。 通过煤气化制得合成气，再经合成气制取，甲醇制乙烯，乙烯氧化制环氧乙烷，最后用环氧乙烷水合法制乙二醇。不足之处是流程较长，并且在甲醇制乙烯的过程中会产生丙
20、烯。 煤气化制取合成气， CO催化偶联合成草酸酯，然后加氢生成乙二醇。该方法是最先实现煤制乙二醇工业化的方法 7。 (3) 煤制油 广义上， 煤制油包括煤炭间接液化、煤炭直 接液化、甲醇制汽油和煤焦油氢化。但属于新型煤化工范畴的是煤炭间接液化、煤炭直接液化。 煤间接液化基于煤气化工艺，然后以合成气为原料，在催化剂的作用下合成液态烃类产品。主要方法有：采用浆态床反应器的费托合成技术，改良费托法，荷兰壳牌公司开发的 SMDS 法。 煤直接液化是由德国科学家 Bergius于 1913 年首先发明的。于 50年前煤直接液化已达到工业化应用水平。目前，国内从事煤直接液化的示范项目研究主要是以神华为代表
21、，而且其研究主要集中在催化剂研发，工艺开发以及示范工程建设等几个方 面 8 。 (4) 煤制天然气 随着中国产业结构的不断升级，对环境保护的日益重视，全国的民用和工业的天然气消费量不断增加。但产量严重不足，所以发展煤制天然气技术得到越来越多的重视。 煤制天然气工艺分为两步法和一步法 9 。两步法是指以煤为原料制取合成气，在合成气经净化和转化之后，在催化剂的作用之下，发生甲烷化反应，以生产替代天然气。一步法煤制天然气技术是指煤直接合成甲烷，进而得到煤制天然气。 我国自 20 世纪 80 年代以来，包括西北化工研究院、中科院大连化物所等单位已经开始煤气甲烷化的研究，并取得了小规模的工业应用。但我国
22、至今仍未掌握大型 的合成气高温甲烷化工艺。 1.1.3 减少空气污染的措施 中国石油大学（北京）本科毕业论文 - 4 - 随着化工工业的高速发展，环境问题也越来越被重视。近年来，空气质量已经成为政府和人民关注的对象。特别是我国的重工业地区如京津冀工业区，雾霾已经成为最重要的污染因素之一。 那么，针对于这种情况，从工业生产的源头进行处理是减少空气污染的重要方法之一。工业生产过程中，烟道直接排放出来的烟气中带有大量的烟尘和粉尘，它们是造成空气中固体颗粒含量升高的直接因素，对大气造成严重污染，所以对于烟道气的除尘工作刻不容缓。 烟道气除尘，主要是利用一些有效的除尘设备对出厂 气进行后处理，使烟气中的
23、含尘率降低到指定标准下，再排放到大气中。能直接有效的减少对大气的污染。 故对烟道气的除尘研究为本文的目的所在。 1.2 除尘 除尘，是指把粉尘从烟气中 分离 出来的过程，是减少大气污染的重要手段。 1.2.1 工艺除尘技术应用现状 目前在煤化工中，为了减少粉尘的排放，除尘设备得以广泛的应用。根据在除尘器中是否 采用液体进行除尘， 除尘系统 中的除尘器可分为干式除尘器和湿式除尘器两大类。前者指不使用液体捕集和分离空气或气体中粉尘粒子的除尘器；后者则是指借助含尘气体与液滴或液膜接触、撞击等作用，从而使颗粒从气流中分离出来的设备 1012。 根据 环境保护设备分类与命名（ HJ/T11-1996），
24、可将除尘设备分为以下七大类： 重力和惯性除尘器。 湿式除尘器。包括喷淋式除尘器、泡沫除尘器、水膜除尘器、文氏管除尘 器等等。 旋风除尘装置。包括单筒旋风除尘器和多筒旋风除尘器。 过滤层除尘器。 包括多孔材料除尘器、颗粒层除尘器、纤维填充过滤器和纸质过滤器。 静电除尘装置。 包括管式静电除尘器、板式静电除尘器以及湿式静电除尘器。 袋式除尘装置。 包括电振动式除尘器、机械振动式除尘器、喷嘴反吹式除尘器、分室反吹式除尘器、脉冲喷吹式除尘器以及振动式除尘器。 组合式除尘器。 卧式旋风水膜除尘器、静电颗粒层除尘器和静电袋式除尘器等。 此外，按照除尘器工作时温度也可以将其分为常温除尘器与高温除尘器两类；按
25、照除尘器的工作状态，可以分为正压除尘 器和负压除尘器两类；按照除尘器大小可分为小型、中型、大型和超大型除尘器等。 第 1 章 文献综述 - 5 - 1.2.2 除尘方式 各种除尘设备的工作原理不尽相同，因此，按照除尘机理可有以下分类： 生物纳膜。生物纳膜是层间距达到纳米级的双电离层膜，水分子的延展性得到最大程度的增加，而且极具电荷吸附性；其原理为生物纳膜对小颗粒粉尘的吸附、聚合作用，物料表面的生物纳膜对周围的小颗粒粉尘聚合成大颗粒状，大颗粒由于重力作用发生沉降，达到除尘效果； 生物纳膜抑尘技术 的除尘率最高可达 99%以上。 云雾抑尘。 云雾抑尘技术 是通过高压离子雾化和超声波雾化，可产生 1
26、 m100 m 的超细干雾；超细干雾颗粒细密，大大增加 了与粉尘颗粒的接触面积，水雾颗粒与粉尘颗粒凝聚，形成团聚物自然沉降，达到消除粉尘的目的。 湿式收尘。 湿式收尘技术 通过压降来实现空气中粉尘的脱除的，在离心力以及水与粉尘气体混合的双重作用下除尘；独特的叶轮等关键设计可提供更高的除尘效率 1314。 重力。利用粉尘与气体的比重不同，使扬尘靠本身的重力从气体中自然沉降下来，这种通常称被为沉降室或降生室。有着结构简单、体积大、阻力小、易维护、效率低等特点，适用于粗净化。 惯性。气体与尘粒密度差距较大，导致尘粒与气体的惯性力不同，所以在气体运动中将尘粒除去有较明显的效果。在气体前设置障碍物，使气
27、体流向急剧改变，使其流速增大，惯性增大，便于将尘粒脱离。 静电。含有尘粒的气体，在高压电场中通过时，阴极发生使气体被电离，此时带负电的气体离子在电场力的作用下向阳极运动，在运动过程中与尘颗相碰撞，使尘粒带上负电 ，带负电的尘粒继续向阳极运动，当到达阳极时，尘粒放出所带的电子沉积在阳极板上，气体得到净化。 本文使用湿式除尘技术进行研究实验。 1.3 流体流动 15 1.3.1 流体及其特点 从力学的特征讲，气体和液体是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质，它们几乎没有抵抗变形的能力，不但整体会运动，其内部的各个质点也会发生相对的运动。这种易变形的运动特征，就是其流动性。因此把气体和液体统称为流体。
