1、本科毕业论文（20 届）海水淡化过程中的传质与传热过程分析所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I 摘 要实验研究了气液两相高速旋转流传质与传热特性，通过实验对比了光滑圆管与螺纹管对气液两相高速旋转流传质与传热过程的主要差异。实验结果表明，在高速旋转的气液两相流中，传质与传热过程都显著倾向于热流或低密度流由圆管的外缘向中心快速运动，而高密度流则与之运动方向相反。在光滑圆管中，二氧化碳气体的运动存在两个分量，即圆周运动和轴向运动。在运动过程中，圆周运动速率逐渐减弱，轴向运动速率逐渐增强，导致传质与传热速率逐渐降低。在螺纹管中，螺纹的存
2、在显著限制了气体的轴向运动，因此，显著提高了传质与传热速率。在气液两相旋转流中，由于二氧化碳钢瓶气的流速比海水的流速高出 2 个数量级，导致二者超重力场强度相差 2-4 个量级，再加上海水粘度比二氧化碳气体粘度高出3 量级，因此，气液两相流中的传热与传质阻力集中在液膜中。在海水液膜中，流体微团的运动方式对液膜传质与传热存在显著影响，应该是今后研究的重点。关键词：气液两相旋转流；传热；传质本科生毕业论文II Seawater desalination process of mass and heat transfer process analysisAbstract:This paper int
3、roduces the process of desalination hydrothermal formed between co2 and seawater film heat transfer and mass transfer. Currently the world and China are faced with the problems, the energy shortage exploit Marine heat low grade renewable energy is to optimize the energy structure, relieve the energy
4、 shortage and keep sustainable development in an effective way. The development and utilization of low-end taste heat need efficient heat exchange technology and device, packed tower the carbon dioxide and water in direct contact heat transfer is a kind of efficient and can be used as a way of heat
5、transfer of energy development and utilization of low-end taste the technology effectively. Under the leadership of tutor to established a set of effective and reasonable structure of carbon dioxide - seawater direct contact heat transfer equipment, and a packed tower carbon dioxide and seawater in
6、direct contact with the experimental research, heat transfer process to make the ideal temperature and heat transfer coefficient of heat transfer volume and found operating conditions of volume factors such as heat transfer coefficient of the influence of experimental equipment and scheme, the study
7、 on the design development and utilization of low-end (salt) heat water provided an effective way for carbon dioxide - water and direct contact heat transfer process and equipment research and design application to provide certain guidance and reference. Developed low-end taste heat and qualitative
8、new products, are urgent need to address the topic of science and technology, has become the international heat transfer research front research hot topic problem.Key word：Gas-liquid two phase rotation flow heat transfer mass transfer本科生毕业论文III 目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1、前言 .11.1 传热 .11.2 缺水干旱的现状 .21.3 能源利
9、用现状与趋势 .31.4 换热管研究的现状 .42、二氧化碳-水直接接触换热装置 .52.1 填料塔 .52. 2 换热桶 .52.3 填料塔、吸收塔内二氧化碳-海水直接接触传热传质过程 .62.4 基本原理 .63、实验部分 .83.1 实验装置 .83.2 初次实验 .83.3 二次实验 .93.4 第三次实验 .103.5 第四次实验 .114、数据分析 .134.1 第一组数据的分析 .134.2 对于第二组数据的分析 .134.3 对于第三组数据的分析 .144.4 对于第四组数据的分析 .144.5 四组数据比较 .154.6 液膜 .155、讨论及改进 .176、结论 .18致谢
10、 .19参考文献 .20本科生毕业论文1 1、前言1.1 传热在自然界中，传热是一种很普及的现象，而且这个传热出现在我们身边。资本主义工业化过渡阶段之后，工业大生产随后而来就现身于我们眼前，工程问题中产生的传热问题不断展现在我们眼前，这就逼迫我们不断的去研究和探索。对于传热情况的过程分析的主要目的就是为了提高传热的速率，以用来提高传热实际情况过程的资源利用率，或是用比较经济的冷却来保护高温部件安全，或是用最高的热效率来体现能源合理利用。所以，传热因为它的在日常工业生产和能源利用中的特殊作用，从而不断的被人们研究和探索，也得到了长足的发展。 1实际生产应用中，传热在日常生活中直接作用被体现的最多
11、的就是换热器。以下数据可以看出换热器或者强化换热技术在工业中的地位，据统计 2，在许多的热电厂中，如果将锅炉也当作一种换热设备，那么，一个厂单单换热器的投资大概就占整个电厂全部投资的 70左右;并不算其他的方面；在动力输出方面，以一辆车子为例子，车辆的冷却系统所消耗的功率要占发动机总共输出功率的 515。在众多的企业中，对于换热器的投资要占全部投资的 3050;在现代石油化工企业中也要占约 3040。在以氟里昂为主要制冷剂的水冷机组制冷设备机器中，蒸发器和凝结器的质量大概占总质量的 70，这些都很明显的表明，传热在工业生产中占着举足轻重的地位。换热技术说包了就是热量的交换，强化传热技术就是指能
12、够明显的提高仪器设备的传热性质的节能新技术 3，他的主要内容就是利用强化传热元件，改进以及提高换热器结构，利用其他手段提高传热效率，从而使设备投资和运行费用尽可能的降到最低，以达到生产投资，投资利用率的最优化。很久之前，即好几个世纪以前就有人提出这样一个理论，就是让自然风吹过物体的表面，增大散热效果，来增强传热，但是这种技术真正地被开发研究探索，也就是引起人们去研究是在 20 世纪 60 年代之后，由于当时工业生产和社会发展的迫切需要，强化传热技术在 40 年来得到了广泛发展和应用。迄今为止，强化传热技术在海水淡化、动力输出、原子核能、制冷、精细化工、石油炼制乃至军工等领域中得到大规模的应用，
13、国内外公开发表的论文和研究报告以及学数学位论文等已经超过 6000 篇，获得了数百项的专利，不觉中已经发展成了比较成熟的第二代传热技术。由于科学技术的飞速发展和能源的严重短缺，迫使人们不断向强化传热提出了新的要求。因此，强化传热研究增大广度，并向新的换热领域渗透和发展，成为世界各主要工业国当下所研究的主要工作。目前，我国传热界的学者都在不断探索研究，努力建立强化传热新理论，并在新理论的指导下，不断的开发新的换热技术。本科生毕业论文2 1.2 缺水干旱的现状国新办上午 10 时举行新闻发布会，环境保护部副部长李干杰介绍中国环境状况等方面的情况。李干杰表示，全国地表水污染依然较重，海河和辽河等七大
14、水系总体为轻度污染。全国城市空气二氧化硫年平均浓度达到国家环境空气质量二级标准，比上年下降 2.8%发布会上，李干杰副部长表示，2010 年，我国部分环境质量指标持续好转。全国地表水国控断面高锰酸盐指数年均浓度为 4.9 毫克/升，比上年下降 3.9%，比 2005 年下降31.9%；全国城市空气中二氧化硫年平均浓度为 0.034 毫克/立方米，达到国家环境空气质量二级标准，比上年下降 2.8%，比 2005 年下降 19.0%。但是，环境总体形势依然十分严峻，面临许多困难和挑战。一是全国地表水污染依然较重。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系总体为轻度污染。204 条河流 4
15、09 个国控断面中，类、类和劣类水质的断面比例分别为 59.9%、23.7%和 16.4%。长江、珠江总体水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染。湖泊（水库）富营养化问题依然突出，在监测营养状态的 26 个湖泊（水库）中，富营养化状态的湖泊（水库）占 42.3%。二是全国近岸海域水质总体为轻度污染。一、二类海水比例为 62.7%，三类海水为 14.1%，四类和劣四类海水为 23.2%。四大海区中，黄海和南海近岸海域水质良好，渤海近岸海域水质差，东海近岸海域水质极差。与上年相比，胶州湾一、二类海水比例上升 25.0%，渤海湾、长江口和珠江口一、二类海水比例下降 2
16、0.0%以上。三是全国城市空气质量总体良好，但部分城市污染仍较重；酸雨分布区域保持稳定，但酸雨污染仍较重。全国 471 个县级及以上城市开展环境空气质量监测，其中 3.6的城市达到一级标准，79.2的城市达到二级标准，15.5%的城市达到三级标准，1.7的城市劣于三级标准。113 个环境保护重点城市达到二级标准的比例为 73.5%，较上年提高 6.2 个百分点。全国开展酸雨监测的 494 个城市（县）中，出现酸雨的城市 249 个，占 50.4%，酸雨程度严重或较重（降水年均 pH 值5.0）的城市有 107 个，占 21.6%，与上年基本持平。四是全国城市声环境质量总体较好。全国 73.7%
17、的城市区域声环境质量处于好或较好水平，环境保护重点城市区域声环境质量处于好或较好水平的占 72.5；全国 97.3%的城市道路交通声环境质量为好或较好；全国城市各类功能区昼间达标率为 88.4%，夜间达标率为72.8%。五是全国辐射环境质量总体良好。环境电离辐射水平保持稳定，核设施、核技术利用项目周围环境电离辐射水平总体未见明显变化；环境电磁辐射水平总体情况较好，电磁辐射设施周围环境电磁辐射水平总体未见明显变化。六是全国部分生态系统功能有所改善，但主要生态环境问题依然突出。生物多样性下降趋势尚未得到有效遏制，遗传资源不断丧失和流失。七是农村环境问题日益显现，农业源污染物排放总量较大，局部地区形
18、势有所好转，但总体形势仍十分严峻。农村生活污染局部增加，农业面源污染严重，畜禽养殖污染还未完全本科生毕业论文3 得到有效治理，农村工矿污染凸显，城市污染向农村转移有加速趋势。2010 年，在党中央、国务院的正确领导下，环保系统深入贯彻落实科学发展观，大力推进生态文明建设，积极探索环保新道路，把环境保护与推动发展方式转变、污染减排与促进经济结构战略性调整、环境治理与保障和改善民生更加有机地结合起来，以解决影响科学发展和损害群众健康的突出环境问题为重点，扎实推进环保各项工作，较好地完成了 2010年各项任务。 8目 前 ， 全 世 界 汗 水 淡 化 量 每 天 大 概 3500 吨 ， 我 们
19、生 活 的 日 常 用 水 占 据 了 其 中 的80%用 量 ， 全 世 界 将 近 1.5 亿 人 口 的 淡 水 用 量 得 到 了 有 效 的 解 决 。 整 个 世 界 上 海 水 淡 化机 构 大 概 有 13000 家 ， 作 为 一 种 淡 水 的 有 效 来 源 和 淡 水 来 源 技 术 ， 海 水 淡 化 ， 越 来 越受 到 全 世 界 的 关 注 ； 全 世 界 每 年 大 概 有 6000 亿 立 方 米 的 海 水 被 淡 化 ， 来 代 替 淡 水 利 用到 工 业 生 产 当 中 ； 全 球 大 概 从 海 水 中 提 炼 出 5000 万 吨 的 盐 、 m
20、g 和 mgo260 多 万 吨 、Br20 万 吨 等 。 海 水 淡 化 的 进 行 需 要 大 量 能 量 ， 所 以 在 不 富 裕 的 国 家 经 济 效 益 并 不 高 。 沙特 阿 拉 伯 的 海 水 淡 化 厂 占 全 球 海 水 淡 化 能 力 的 24%。 阿 拉 伯 联 合 酋 长 国 的 杰 贝 勒 阿 里海 水 淡 化 厂 第 二 期 是 全 球 最 大 的 海 水 淡 化 厂 ， 每 年 可 产 生 3 亿 立 方 米 淡 水 9-14。1.3 能源利用现状与趋势 能源是我们日常生活以及工业生产的必须依赖的物质，它不但是我们日常生活的必需品，也是现代工业的根本物质，
21、为国民经济发展提供动力-能源与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。根据联合国的调查统计，1995 到 2020 年世界一次能源小号的增长率每年将达 2%。另外，石油和煤炭等矿物燃料虽然含有很高的能量，也利于开发和利用，但是都有个致命的缺点，就是他们都是不可再生的资源，一旦消耗完，世界上就没这类资源了。但是人们过度的开发和过早的消耗，所产生的副作用已经很大程度上破坏了我们的生存环境，破坏了生态绿色植被的平衡，所导致的直接后果就是全球环境的日益恶化，这是我们生活在地球上的人类面临到的最为迫切需要解决的问题。与此同时，全世界都关注着这种生态环境的破
22、坏趋势。中国是能源需求增长最快的国家之一，是世界上的第二能源消费大国，仅仅次于美国，人均消耗量远低于世界人均水平，能源相对紧缺，稀缺的能源已经成为制约我们国家经济社会快速发展的主要瓶颈。从能源构成情况来看，包括我国在内的世界绝大多数国家都把石油和煤炭等矿物性燃料作为基本能源，开发和利用工业快速发展的基础就是把发展石油和煤炭工业推向前台。煤是我们国家为主要能源，也是世界上不多的国家之一。全世界的煤炭产量和消耗量尽然都在我们国家，并且我国的单位 GDP 能耗过高，能源利用相当的效率低，能源结构比例严重失调。并且在今后很久的时间内，能源利用的结构基本上不会有什么改变。稍微遇见下未来，我们可以清晰的发
23、现，随着工业和社会的快速发展，中国工业以及生活的能源问题只会越来越严重，可以说是每况愈下。 15-23在如此严峻的能源危机和生态环境被破坏严重的形式下，各个国家都在致力于开发新的有效的能源来代替原有的能源结构，或者提高能源利用率来缓解能源的稀缺，都为了发展的可持续做奴隶。根据国际能源理事会的定义，可再生能源包括:1.太阳能;2.风能;3.地热能;4.现代生物质能;本科生毕业论文4 5.海洋能;二氧化碳-海水直接接触高效传热过程及设备研究6.小水电。世界上许多的国家从上世纪 80 年代起开始着重研究可再生能资源，如地热能、生物质能、风能、太阳能、等的技术的开发，许多国家并且根据各自国家的情况制订
24、了相对应的鼓励政策。为了新的可再生能源的发展提供比较有利的社会大环境，联合国环境与发展大会在1992 年召开会议通过的21 世纪议程明确提出了“人口、资源、环境相互协调与可持续发展”战略。在开发利用可再生能源的同时，从潜在意义上来说，现代生物质能、潮汐大坝和风力发电的影响，必须充分考虑有可能对局部环境产生的不利影响。我们有必要通局考虑潜在的气候变化这一全球性问题，和诸如生物多样性的消失、争用土地、自然生境的毁坏和妨碍景观等局部性问题。这些局部性问题有可能成为严重影响新的可再生能源完全实现其技术潜力的主要制约因素。 241.4 换热管研究的现状实验室所采取的海水淡化主要为换热管，国内对于换热管的
25、研究基本上都集中于螺旋管换热器的研究。我国从上世纪 70 年代后期开始了对螺旋管换热器 25-27的研究，华南理工大学、重庆大学、东南大学等院校和许多科学研究单位在对于螺旋管传质与传热方面的研究面做了大量的工作，取得了不少有实际应用价值的研究成果。华南理工大学的研究人员对螺旋管内气液两相流体在关内的传质与传热、管参数的优化等方面进行了较为详细的研究。1979 年，邓颂九等人将螺旋管应用到了上海一家溶剂厂的甲醛余热锅炉中进行了试验，得到的结论是在这种情况下，螺旋管比原先光滑直管的总传热系数提高了 60%;然后邓颂九等学者又将螺旋管用于压缩机排气冷却系统当中，同样，螺旋管是光滑直管传热效率的 3
26、倍;接着邓颂九等人将螺旋管用于常减压原油渣油换热器当中，螺旋管的传热系数是光滑直管的 1.2 倍;然后邓颂九等人对于 12 种不同结构尺寸换热管，12 根都是螺旋管，然后对 12 根换热管都采用蒸汽加热管内空气的方法进行了蒸汽加热水传热的实验，并且通过传热和气液两相流动特性的研究，测定了该实验条件下螺旋管的传热系数和流动阻力，同时对影响螺旋管传热与流动特性的因素进行了分析，给出了单头螺旋管的最佳参数范围，在此范围内具有相对比较好的传热与流阻性能。 28-30邓颂九等人对螺旋管进行了进一步的实验，采用 9 根 19mm1.5mm 的黄铜管，测定了换热器的内部传热系数和管壳程的流动阻力等，指出该类
27、换热器的性能明显优于光管式换热器。该实验研究了气液两相高速旋转流传质与传热特性，通过实验对比了光滑圆管与螺纹管对气液两相高速旋转流传质与传热过程的主要差异。实验结果表明，在高速旋转的气液两相流中，传质与传热过程都显著倾向于热流或低密度流由圆管的外缘向中心快速运动，而高密度流则与之运动方向相反。在光滑圆管中，二氧化碳气体的运动存在两个分量，即圆周运动和轴向运动。在运动过程中，圆周运动速率逐渐减弱，轴向运动速率逐渐增强，导致传质与传热速率逐渐降低。在螺纹管中，螺纹的存在显著限制了气体的轴向运动，因此，显著提高了传质与传热速率。在气液两相旋转流中，由于二氧化碳钢瓶气的流速比海水的流速高出 2 个数量
28、级，导致二者超重力场强度相差 2-4 个量级，再加上海水粘度比二氧化碳气体粘度高出 3 量级，因此，气液两相流中的传热与传质阻力集中在液膜中。在海水液膜中，流体微团的运动方式对液膜传质与传热存在显著影响，应该是今后研究的重点 31-33。本科生毕业论文5 2、二氧化碳-水直接接触换热装置2.1 填料塔填料塔是塔设备的一种。塔内填充一定量且适用的填料，其目的就是为了增大两种流体间的接触面积。比如说，在气体吸收填料塔实验时，液体由塔的上部进入填料塔，并且通过喷淋器增大液体的扩散范围，沿填料壁面下降。气体则是从填料塔的下部通过填料之间的孔隙逆流而上，气体进入的压力为其上升的推动力，气体与液体密切接触
29、形成气液两相而相互接触。填料塔以其结构较简单，检修方便的优点被广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。为了强化生产，提高气流速度，使在乳化状态下操作时，称乳化填料塔或乳化塔。 34图 2-1 填料塔经典结构示意图2. 2 换热桶换热桶有三个部分组成。分别是内筒、中筒和外筒，材料均为铝合金，各筒的壁厚为 3毫米，铝合金均为 316 材质。在中筒与内筒之间流动的是气液混合物，流动方向为逆时针流动。装有压力表的为旋风分离器。本科生毕业论文6 图 2-2 二氧化碳-海水直接接触装置结构示意图1 -二氧化碳钢瓶；2-海水；3-泵；4-液体流量计；5-蒸汽加热装置；6-旋风分离器；7-气体出口流量计；换热管
30、中的折线为螺纹结构示意图2.3 填料塔、吸收塔内二氧化碳- 海水直接接触传热传质过程直接接触式换热是一种高效的传热形式，冷热介质通过直接混合来实现热量的传递。直接接触式换热最早出现在 Hausbrand 编著的蒸发、凝结和冷却装置一书中，这本书在1900 年第一次于德文出版的，而后至 1933 年共出版了五个英文版，书中介绍了几种包括调气压冷凝器在内的直接接触器，在其最早版本中还有一些关于这些装置的理论及商业应用。尽管直接接触式换热装置的提出较早，但其特性研究的发展一直迟于表面式热交换器。2.4 基本原理直接接触换热的特点是热量交换与质量交换同时进行。对于气液直接接触过程的传质传热，如果是挥发性液体表面，则同时存在两种机理的传热，即: l)显热传递(温差传热)。气液两相之间温差比较大时，主要存在的就是这种传热，液温高于气温时，液体放热;相反，液温低于气温时，液体吸热。2)潜热传递(传质传热)。此过程传热与传质同时进行，反应过程中的推动力就是蒸汽分压差，传热主要靠扩散和对流作用来传递热量。当液面蒸汽分压高于气流中的整齐分压时，液体蒸发并放热;反之蒸汽冷凝，液体吸热。 3536
