基于旋流离心场-高压脉冲电场耦合的乳化油脱水装置及其分离特性研究

摘要

工业废油的资源化再利用对于缓解能源紧缺、资源节约以及环境保护等问题具有重要意义。乳化液的破乳脱水处理是众多资源化再利用工艺中的首要环节。对于含水量较高、成分复杂的废油乳化液，将多场进行集成或耦合可实现单一方法无法完成的分离过程。鉴于此，提出了一种集成旋流离心和高压电场的耦合脱水装置。针对该装置，本文建立了双场耦合作用下分散相液滴的变形动力学模型及双场耦合仿真计算模型，研究了双场耦合装置分离特性，为完善双场破乳脱水机理研究，开发高效的废油破乳脱水装置以及再生工艺提供了必要的理论支撑。　　首先，阐明了双场耦合装置的单元结构和工作流程，通过分析耦合作用下分散相液滴的受力，建立了双场耦合作用下分散相液滴的变形动力学模型，并采用函数逼近和谐波平衡法得到了一次近似解，进一步完善了高压脉冲电场破乳动力学。　　其次，通过用户自定义函数法建立了双场耦合装置的仿真计算模型，计算分析了耦合脱水装置的分离特性。以耦合脱水装置内部流体部分为计算域，考虑电场力的影响。根据麦克斯韦张量导出分散相液滴的受力表达式，以连续性方程及动量方程为基础，将电场作用力以体积力的形式通过用户定义函数编译并添加到流场控制方程中，建立了双场耦合脱水装置的仿真计算模型；通过设定不同初始条件或边界条件进行仿真计算，分析了不同电压幅值、电场频率、入口流速及乳化液温度对双场耦合脱水装置内部流场分布及分离效率的影响。　　然后，仿真分析了不同几何结构下耦合脱水装置的分离特性。通过改变耦合脱水装置的几何结构，建立了不同几何结构下装置的仿真计算模型，分析了双、单圆柱形和矩形入口结构形式，单、双、三锥段及双曲线锥段结构下装置内部流场分布及分离效率。　　最后，通过实验研究了不同控制参数对分离效率的影响，且将实验结果与数值结果进行对比。结果表明，仿真分析结果是合理的。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 本文研究内容

2 旋流离心场-高压脉冲电场耦合脱水装置

2.1 装置及其单元结构

2.2 装置的工作流程

2.3 本章小结

3 旋流离心场-高压脉冲电场耦合脱水基本理论

3.1 耦合装置旋流场基本理论

3.1.1 涡流运动的基本方程

3.1.2 装置流场的分布规律

3.2双场耦合的液滴变形动力学

3.2.1耦合场中液滴的受力分析

3.2.2耦合场中液滴变形动力学模型

3.3 液滴的结聚与破裂

3.3.1液滴的结聚

3.3.2液滴的破裂

3.4 本章小结

4旋流离心场-高压脉冲电场耦合脱水装置分离特性

4.1 控制方程

4.1.1 流场控制方程

4.1.2 电场控制方程

4.2物理模型

4.3 双场耦合的数值计算方法

4.3.1网格划分及无关性分析

4.3.2物性参数和边界条件

4.3.3双场耦合数值模拟的UDF实现

4.3.4求解控制参数的设置

4.4数值计算结果与分离特性分析

4.4.1电场电压幅值对耦合装置分离效率的影响

4.4.2电场频率对耦合装置分离效率的影响

4.4.3 入口流速对装置分离效率的影响

4.4.4 乳化液温度对耦合装置分离效率的影响

4.5本章小结

5 双场耦合装置的几何结构优化

5.1 入口结构形式的优化

5.1.1入口结构的几何形式

5.1.2入口结构对耦合装置的流场分布的影响

5.1.3入口结构对耦合装置的分离效率的影响

5.2 锥形腔段结构形式优化

5.2.1 锥形腔段的几何形式

5.2.2锥形腔段对耦合装置的流场分布的影响

5.2.3锥形腔段对耦合装置的分离效率的影响

5.3双场耦合装置的分离特性分析

5.3.1耦合装置的物理模型

5.3.2耦合装置的内部流场分析

5.3.3耦合装置的分离效率分析

5.4 本章小结

6旋流离心场-高压脉冲电场耦合装置分离实验

6.1实验装置及样品

6.2实验步骤

6.3实验结果与分析

6.3.1 电压幅值对分离效率的影响

6.3.2 电场频率对分离效率的影响

6.3.3 入口流速对分离效率的影响

6.3.4 加热温度对分离效率的影响

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果