脉冲萃取柱流体流动和质量传递性能研究

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脉冲萃取柱是一种重要的化工分离设备,在核燃料循环的乏燃料后处理工程中得到工业规模应用。由于萃取柱内多相流的特性,以及在线测量输出变量的困难,只有清楚萃取柱内动态行为和稳态特征,才能保证安全稳定的单元操作。众多模拟液液萃取柱的数学模型中,均一液滴直径的轴向扩散模型具有数学形式简单,待优化参数少,求解快捷等优点。本文基于该模型并进行简化,模拟脉冲萃取柱质量传递和存留分数的动态变化,也即质量传递中把分散相当做活塞流处理,只考虑连续相的轴向扩散。对于稳态时的质量传递,根据边界条件的不同,文中使用有限中心差分等方法进行数值求解。最后本文根据萃取柱两相稳态浓度分布曲线最优化估计三关键参数,即连续相轴向扩散准数Pex,分散相轴向扩散准数Pey,以及基于连续相的总传质单元数Nox,这三个参数决定着萃取柱的性能。
　　在质量传递的动态模拟中,依据轴向扩散模型,得到简化的两相传质一维抛物型偏微分方程组。通过分析连续相供料浓度切换到较高值后两相浓度的响应,表明适当条件下忽略分散相轴向扩散是可靠的。有关稳态质量传递,使用传质方程的多种类型边界条件,都能确定两相稳态浓度分布。计算结果表明有效萃取柱段两相入口浓度,以及分散相供料浓度对数值计算结果的准确性影响较大。对于存留分数动态模拟,通过计算结果和实验结果的对比,发现平均液滴直径的轴向扩散模型,能够基本反映萃取柱存留分数动态变化趋势。然后本文对该模型的局限性进行了有益的探讨。关于三关键参数最优化估计,本文采取两种方法对参数Pex、Pey和Nox进行优化。前者只对Pex,Pey单独寻优,目标函数需求解常微分方程初值问题,后者实现三参数同时寻优,目标函数需要求解五对角线性方程组。三参数同时寻优法解决了单独寻优法对优化参数初值设定过度依赖问题,同时证明了一定条件下分散相轴向扩散系数对传质影响可以忽略。

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作者
王允;
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作者单位

哈尔滨工程大学;

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授予单位哈尔滨工程大学;
学科核燃料循环与材料
授予学位硕士
导师姓名郑卫芳;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类扩散、传质过程及原理;
关键词
液液萃取; 脉冲萃取柱; 流体流动; 质量传递; 最优化估计;

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