【摘要】：在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中氣泡與溶解性氣體共存于液體,液體脫氣技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、冶金與石油化工等領(lǐng)域扮演重要角色。如溶解性氣體的無組織揮發(fā)排放導(dǎo)致了更嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染,冶金工業(yè)中熔融金屬脫氣避免氣孔缺陷,石化生產(chǎn)過程中餾分油與氫氣的高效分離等,對液體脫氣性能提出了更高的要求。旋轉(zhuǎn)湍流強(qiáng)化脫氣技術(shù)分離精度高、設(shè)備緊湊、無熱能損耗,對液體中微細(xì)氣泡和溶解性氣體的分離展現(xiàn)出了低碳、綠色的特點(diǎn),得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是目前由于氣泡的軟流體特性和湍流速度波動,溶解性氣體在旋轉(zhuǎn)湍流場中的去除規(guī)律尚不清晰,旋轉(zhuǎn)湍流中氣泡動力學(xué)與溶解性氣體傳質(zhì)的映射關(guān)系也不明確,需開展深入的研究。本研究工作綜合采用微通道多相流、高速攝影、多尺度組分模擬等研究手段,構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)湍流強(qiáng)化氣泡和溶解性氣體分離過程研究的新方法,發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)湍流促進(jìn)氣泡相互聚并和引起溶解性氣體解吸的現(xiàn)象,揭示了不同尺度的氣體分子簇團(tuán)在旋轉(zhuǎn)湍流中的運(yùn)動機(jī)制,建立了旋流場中湍流氣泡快速氣提分離溶解性氣體的方法,開發(fā)了液體脫除微細(xì)氣泡和溶解性氣體的分離技術(shù)及裝備,在海上石油平臺高粘度稠油的快速脫氣過程取得了突破應(yīng)用。主要創(chuàng)新點(diǎn)包括:(1)采用歐拉-歐拉氣液兩相湍流模型結(jié)合多尺度組分模型(Multi Size Group Model)的數(shù)值模擬,研究了旋轉(zhuǎn)湍流中微細(xì)氣泡的聚并過程,得到了氣泡聚并對氣泡分離性能的影響關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)旋流脫氣的效率(η)隨著氣泡聚并尺寸(Ad)的增加從30%升高到99.53%,在所記錄的3秒時間內(nèi),逐漸形成液體在周圍旋轉(zhuǎn)、氣體在中心富集的兩相流動,較大的氣泡聚并尺寸導(dǎo)致了更快的氣泡遷移的速度,并且更早地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。(2)采用溶解性二氧化碳旋流解吸方法,研究了旋轉(zhuǎn)湍流場中壓力梯度場及離心場耦合作用下對溶解氣的脫除效率,并采用雷諾應(yīng)力湍流模型和兩方程湍流模型的數(shù)值模擬方法揭示了旋轉(zhuǎn)湍流解吸的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)湍流打破了靜態(tài)氣液平衡,提高了溶解性氣體從水中逃逸的速率。在實(shí)驗(yàn)條件下,水出口的二氧化碳濃度比該壓力下的飽和溶解度要低,水中溶解性二氧化碳的脫除率達(dá)40.2%。(3)降低三維立體的柱式氣液旋流結(jié)構(gòu)的高徑比,設(shè)計了一種簡易的平面旋轉(zhuǎn)湍流流場,測試了旋轉(zhuǎn)湍流壓力特征分布和微氣泡軌跡的運(yùn)動軌跡,并結(jié)合歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日數(shù)值模擬方法與測試結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證和比較。實(shí)驗(yàn)觀察得到的氣泡軌跡與歐拉-歐拉計算結(jié)果具有一致性,呈現(xiàn)出近似漸近線的形狀;歐拉-拉格朗日模擬方法對于停留時間和運(yùn)動路程的預(yù)測表現(xiàn)出了一定的可靠性,隨著進(jìn)料流量的增加,氣泡停留時間從0.323秒降低到0.075秒,而且液體的湍流強(qiáng)度不斷降低,導(dǎo)致氣泡的停留時間呈現(xiàn)更加集中的分布。(4)基于旋轉(zhuǎn)湍流下氣泡運(yùn)動和傳質(zhì)機(jī)理,提出了多級旋流結(jié)構(gòu)中微細(xì)氣泡對溶解性氣體吹脫氣提的技術(shù)路線。研究發(fā)現(xiàn)多級旋流結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的傳質(zhì)和氣提效果:對單個平面旋流區(qū)域內(nèi)的氣泡進(jìn)行尺寸分析,所獲得的氣泡Saueter平均直徑用于修正多級旋流實(shí)驗(yàn)中的氣泡Sauter平均直徑,以得到更加準(zhǔn)確的氣液接觸面積。隨著注氣體積比從0.015增大到0.090,氣泡Sauter平均直徑范圍從0.11mm至0.21mm,氣泡體積分?jǐn)?shù)從0.02至0.11,體傳質(zhì)系數(shù)從0.16增大至0.55,溶解氧解吸效率從0.08至0.25。(5)開發(fā)了緊湊式旋流強(qiáng)化微細(xì)氣泡分離裝備,將該技術(shù)應(yīng)用到海上石油平臺高粘度稠油的脫氣過程。針對渤海某石油平臺非常規(guī)外輸稠油進(jìn)行了在線脫氣工業(yè)實(shí)驗(yàn),在外輸原油經(jīng)3分鐘的沉降脫氣后,采用該技術(shù)進(jìn)一步脫氣,經(jīng)PVT分析得到該技術(shù)脫氣效率達(dá)80%以上,有效地緩解了輸送設(shè)備的振動,滿足了高粘度稠油的高效快速脫氣的要求。在接下來的研究中,旋轉(zhuǎn)湍流場中分子簇團(tuán)穿透氣液界面形成氣泡的過程、不同尺度的氣體分子簇團(tuán)在氣泡表面的黏附和脫附過程及氣泡內(nèi)流場作用下的分子擴(kuò)散速率需要進(jìn)一步討論,湍流中的氣泡運(yùn)動尾跡對周圍氣泡運(yùn)動方向的影響作用需要明確的闡述。
【圖文】：

Ｆｉｇ．１．３邋Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ＧＬＣＣ逡逑緊湊式液體脫氣主要使用管柱式液氣旋流分離器（Ｇａｓ－Ｌｉｑｕｉｄ邋Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ邋Ｃｙｃｌｏｎｅ，逡逑ＧＬＣＣ），如圖１．３所示。１９７９年，Ｄａｖｉｅｓ和Ｗａｔｓｏｎ研制了管柱式液氣旋流分離器［３５］，逡逑是由垂直的筒形容器，，安裝了一個向下傾斜２７°的切向進(jìn)口管，上部出氣管，下部排液逡逑

０以等［４８］在２０１４年使用了水平管道增設(shè)葉片的旋流脫氣方法，用于將裂變氣體從逡逑熔鹽堆運(yùn)行中不間斷的去除，從國外ＯＲＮＬ導(dǎo)葉式氣液分離器開始改進(jìn)，使用直徑５０＿逡逑的旋轉(zhuǎn)流道，總長度約為１０７５ｍｍ，如圖１．５所示，并給出了幾種葉片設(shè)計尺寸。在忽逡逑略微氣泡的情況下，對流場進(jìn)行了單相流體模擬計算，軸向零速度包絡(luò)面反映出氣柱集逡逑中在中心，與實(shí)驗(yàn)中的氣柱形狀進(jìn)行了比較，具有相似性。逡逑．，ｒｅ邐ａ－－邋ＩＡ邋Ｌ邋．邋Ｌ邋Ｌ邋Ｕ邋＾邋Ｌ邋Ｌ邋Ｕ邋Ｌ逡逑ＭＥｍＨＨＫ邐…逡逑ＨＥＨｌ邋r>邋＊＃逡逑圖ｉ．§典型葉片式旋流脫氣分離方式逡逑Ｆｉｇ．１．５邋Ｖａｎｅ－ｔｙｐｅ邋ｓｅｐａｒａｔｏｒ邋ｆｏｒ邋ｄｅｇａｓｓｉｎｇ逡逑類似的氣液流動和氣液分離過程還體現(xiàn)在Ｔ型管的流動研究。ＭａｒｇａｒｉＳ等［４９］在２００７逡逑年提出了豎直管道和水平管道的三通處的氣液流動規(guī)律，對于氣液分離具有重要意義，逡逑使用動量、質(zhì)量、能量守恒方程對Ｔ型管進(jìn)行了模型描述，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬具有很逡逑
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE624.1

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