板式塔弓形降液管液相流場CFD數(shù)值模擬

黃雪雷,李育敏

(浙江工業(yè)大學化學工程與材料學院,浙江 杭州 310032)

降液管作為板式塔塔板間液體傳輸?shù)耐ǖ?在傳輸過程中實現(xiàn)氣液兩相分離,同時為塔板入口的液體提供初始分布.因此,降液管的性能直接影響整個板式塔的分離效果.降液管存在多種結(jié)構(gòu)形式,在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的是弓形降液管[1].眾多研究者對弓形降液管內(nèi)的表觀液速、停留時間、清液層高度、泡沫層高度等流體力學特性進行了深入研究,提出設(shè)計準則,但大都停留在定性分析和依據(jù)個人試驗數(shù)據(jù)上[2-3],在實際設(shè)計應(yīng)用中往往不盡合理.

近年來,隨著分離技術(shù)不斷發(fā)展,這種憑經(jīng)驗的宏觀設(shè)計方式的局限性也越來越明顯,這要求我們獲得降液管內(nèi)部詳細的流場信息.新型的計算流體力學(Computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)被應(yīng)用到降液管的研究中.使用計算流體力學FLUENT軟件,采用標準k-ε湍流模型及SIMPLEC算法[4]模擬計算降液管底部的液相流場.為驗證模擬結(jié)果的正確性,采用熱膜風速儀對降液管底部液相流場進行詳細測量,將實驗測量結(jié)果與模擬結(jié)果進行比較.

1 計算模型和數(shù)值方法

1.1 計算模型

建立的降液管模型結(jié)構(gòu)類似柱體,而且并不復雜,可近似看作管內(nèi)流動,因此選用標準k-ε湍流模型作為湍流方程進行封閉,可以滿足湍流計算的準確性.方程求解的方法采用SIMPLEC算法.

模擬計算的入口邊界條件:入口處,液相速度均勻分布,且垂直入口截面,進口速度與試驗測量值一致,取0.018 m/s.液相湍動能與湍流密度計算式分別為

1.2 數(shù)值方法

采用了六面體和棱柱體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分單元[4]對降液管模型進行網(wǎng)格劃分.GAMBIT將降液管作為包含兩個端面和一個柱體構(gòu)成的邏輯圓柱體來處理.作為這些圓柱體端面的面被稱為源面.GAMBIT從這兩個源面開始進行網(wǎng)格劃分,最終擴展到整個計算區(qū)域.降液管模型堰長取800 mm , 寬度取150 mm,降液管底隙高度取20 mm,模型高度取降液管內(nèi)清液層高度為80 mm.根據(jù)降液管的物理模型及網(wǎng)格劃分情況,網(wǎng)格總數(shù)為104 000個.

模擬計算的出口邊界條件:在出口邊界,取充分發(fā)展的管流條件,即出口方向的各個流動變量的擴散通量為0.由于降液管出口壓降及速度未知,故取出流邊界條件.

模擬計算的底面與邊壁邊界條件:設(shè)置降液管底面與邊壁為無滑脫的壁面條件.在板上各個方向速度為零.采用壁面函數(shù)法,其基本思想是使用半經(jīng)驗公式將近壁區(qū)內(nèi)的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)某點待求的未知量直接聯(lián)系起來.這樣既可以節(jié)省計算時間,又可以計入壁面粗糙度的影響.

2 實 驗

本實驗流程如圖1所示,試驗在直徑為1 200 mm的有機玻璃塔進行,塔內(nèi)安裝3塊弓形降液管篩板,中間塔板的降液管為測試降液管.板間距600 mm,堰高50 mm,堰長和降液管底隙高度與模擬設(shè)定相同,即分別為800 mm和20 mm.

圖1 實驗流程裝置圖Fig.1 Scheme of experimental setup

試驗物系為空氣—水,空氣由風機經(jīng)孔板流量計從塔下部進入塔內(nèi),經(jīng)過最下層塔板分布均勻后,進入試驗塔板.水由離心泵經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計后至第一塊塔板,經(jīng)過分布后進入試驗降液管.筆者考察降液管底部的流場分布,過大的氣液量,會導致降液管內(nèi)混合劇烈,清液層不明顯.在調(diào)試后采用以下試驗條件:液體流量L=4.95 m3/h和8.0 m3/h,氣相動能因子F=0.72 m/s(kg/m3)0.5和 1.24 m/s·(kg/m3)0.5,對降液管清液區(qū)中不同平面上的液體速度分布進行測量.

采用Dantec公司生產(chǎn)的StreamLine CTA系統(tǒng)熱膜風速儀測量降液管下方的液相流場分布.數(shù)據(jù)采集和處理由Stream Line軟件處理.流場分布以中心截面對稱,故在降液管弧形塔壁處一側(cè)開12個孔用以安裝熱膜風速儀測試探頭,如圖2.所開孔用橡膠塞密封,探頭穿過橡膠塞,迎著液流方向.

圖2 試驗降液管的測試探頭安裝孔分布圖Fig.2 Scheme of orifices on test downcomer

測試點沿降液管堰長方向、降液管寬度方向和高度方向均布,共42個測試點.

3 模擬分析

3.1 初步分析

FLUENT軟件模擬得到弓形降液管的三維液相速度矢量分布圖,圖中箭頭所指方向即為速度矢量方向,如圖3所示.由圖可以看出,速度從入口開始逐漸增大.

圖3 弓形降液管的三維液相速度矢量分布圖Fig.3 Distribution of velocity vector of downcomer

分析沿堰長方向平面內(nèi)的速度分布.在距堰壁38 mm處平面內(nèi),中間位置的速度比兩側(cè)位置的速度小18.9%～20.8%;并且中間位置的速度方向垂直向下,兩側(cè)位置的速度方向斜向下指向兩側(cè),這是由于弓形降液管中間寬大兩側(cè)狹小的形狀造成的.因此,在降液管下方,液體沿堰長方向流動不均勻.

沿降液管寬度方向平面內(nèi)的速度分布.靠近塔壁處的液體速度沿從上往下的高度方向逐漸減小,而靠近堰壁處液流速度逐漸增大.在同一高度處,液體速度沿從近塔壁處到近堰壁處方向逐漸增大,速度矢量方向與垂直方向的夾角也逐漸增大,如圖4所示.在同一高度處,距堰壁38 mm處的平均液流速度比距堰壁76 mm處的平均液流速度大6.4%～37.8%.

圖4 沿降液管寬度方向平面內(nèi)的速度分布Fig.4 Distribution of velocity vector along plane of width direction of downcomer

3.2 降液管底部拐角處存在的緩流區(qū)

弓形降液管內(nèi)液體折轉(zhuǎn)90°后由底隙流出.從圖4可見,近塔壁拐角處存在緩流區(qū).將圖4中圈出的區(qū)域放大后,如圖5所示,可以明顯發(fā)現(xiàn)在此拐角處存在漩渦.由于漩渦存在,導致此處液流緩慢,甚至形成液體流動死角.若處理的物系帶有雜質(zhì)顆粒、粘性較大或者容易形成聚合物,那么這些雜質(zhì)將在這些流動死角形成區(qū)域沉淀.這些沉淀若不及時清除,就會逐漸填充在降液管底部空間,甚至堵塞降液管底隙.因而我們在實際工程設(shè)計中盡量避免這種情況發(fā)生.

圖5 區(qū)域放大圖Fig.5 Local amplification

3.3 模擬與實驗數(shù)值的比較

通過模擬計算和試驗測量比較,我們發(fā)現(xiàn)兩者總體趨勢是一致的,兩者對比結(jié)果見圖6.

圖6(a)中的數(shù)據(jù)最大相對誤差為30.08%,最小相對誤差為0.09%,平均相對誤差為12.96%;圖6(b)中的數(shù)據(jù)最大相對誤差為23.37%,最小相對誤差為0.72%,平均相對誤差為7.20%.

我們還發(fā)現(xiàn)在降液管最底部,模擬速度矢量方向與垂直方向的夾角偏大.這是因為在單相模擬程中,并沒有計入氣相的影響,而且模擬計算所采用的模型在邊界條件的處理上較為簡單.

圖6 模擬和實驗速度比較圖Fig.6 Comparison between calculated and measured velocity

4 結(jié) 論

針對降液管給出模型方程計算所需要的各種邊界條件及其計算網(wǎng)格,運用計算流體力學軟件,選用標準k-ε湍流模型及歐拉兩相流模型,模擬獲得降液管三維液相速度場.沿堰長方向,中間位置的速度比兩側(cè)位置的速度小18.9%～35.7%.沿降液管寬度方向,靠近塔壁處的液體速度沿從上往下的高度方向逐漸減小,而靠近堰壁處液體速度逐漸增大.在同一高度處,液體速度沿從塔壁到堰壁方向逐漸增大.降液管底部近塔壁處存在漩渦和緩流區(qū).在處理不潔物系或粘性較大物系過程中,該緩流區(qū)易形成雜質(zhì)沉積,最終導致降液管堵塞.將計算流體力學的模擬速度值與實驗速度值進行比較,發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好,最小相對誤差只有0.09%,最大平均相對誤差不超過15%.

[1] KISTER H Z.Distillation operation[M].New York:McGraw-Hill Publishing Company,1990.

[2] KIST ER H Z.Downcomer design for distillation tray columns[J].Chem Eng,1980,87(24):55-60.

[3] CHASE J D.Sieve-tray desigh part 1[J].Chemical Engineering,1967,31(6):105-116.

[4] PAT ANKAR S V.Numerical heat transfer and fluid fow[M].Washington:Hemisphere Publishing Company,1980.