基于多孔介質模型的填料塔數值模擬研究

西安石油大學 機械工程學院 靳亞斌 周三平 張高超

填料塔是重要的氣液傳質設備。我國最早進行填料塔數值模擬研究的是余國琮學科組，他們以Navier-Stokes 方程（N-S方程）和連續性方程為研究基礎。國外Krishna 科學組對填料塔返相研究較多，但對于用多孔介質模型來模擬填料塔壓降、流場的研究則較少。因此，在填料塔數值模擬研究中引入多孔介質，利用FLUNT 中的多孔介質模型來代替散堆填料部分，對填料塔內部單位壓降、流場進行數值模擬，并通過試驗測定壓降作為對比研究，可以為工程設計提供重要的參考資料。

一、填料塔模型建立

填料塔內部填料部分是一個典型的放大化的多孔介質模型。目前，多孔介質的研究通常采用管道模型、網絡模型和平均體積模型等模型。本文，筆者為了研究填料塔單位填料壓降以及驗證數值模擬的正確性，在填料區域采用了多孔介質模型、多相流模型選用Euler 模型，并對模型作如下假設：液相在散堆填料塔內流動為穩態、軸對稱；流體為不可壓縮；氣體為活塞運動。填料塔數值模擬物理模型如圖1所示，塔高3 m，塔徑0.6 m，填料段2 m。該模型中，用多孔介質區域代替散堆鮑爾環填料段。多孔介質的孔隙率是指孔道占總體積的百分比，這一點與散堆鮑爾環填孔隙率較為類似。因此模擬時多孔介質模型孔隙率取0.9，模型尺寸與圖1一致。試驗裝置如圖2所示。

圖1 填料塔數值模擬物理模型

圖2 試驗裝置

二、實驗測定

實驗在常溫常壓冷模條件下操作，實驗介質采用空氣-水系統，實驗裝置采用西安石油大學化工流體機械實驗室自主設計的冷模實驗填料塔，實驗裝置由吸收和解吸兩部分組成，其核心部件吸收塔3 與解吸塔7 均為圓形有機玻璃塔，可以很方便地觀察塔內氣液流動和接觸狀況；吸收塔3 塔徑200 mm，高1 000 mm，解吸塔7 塔徑600 mm，填料段總高度為2 000 mm。解吸塔7 即為試驗填料塔，填料方式為散堆鮑爾環填料，壓力直接由進出口填料段壓力傳感器得出。實驗測定氣體單相壓降和噴淋密度為20 m3/（m2·h），單相實驗和模擬數據見表1，氣液兩相實驗和模擬數據見表2。

表1 單相實驗和模擬數據

表2 氣液兩相實驗和模擬數據

三、數值模擬分析

用Fluent6.2.16 軟件進行氣液兩相模擬，具體步驟如下。

1.建立尺寸如圖1所示的計算模型，主流體為水，液相入口為塔的上端面，氣相入口為下斷面。

2.選用Tet/Hybrid 對模型進行四面體網格單元劃分。

3.氣液相入口選定速度進口邊界條件，出口選擇壓力出口邊界條件，填料段設定多孔介質模型。

4.根據填料塔內流體的表觀流速，選定雙方程模型，塔壁為滑脫邊界。

多孔介質區域設定孔隙率為0.9，采用速度進口邊界條件，壓力出口條件，選用Euler 模型模擬。由表1、表2數據可知，實驗壓力和模擬壓力誤差為4%～10%，產生這些誤差的原因是由于多孔介質模型和散堆鮑爾環填料之間流道有所不同。多孔介質模型滲透率具有各向同性，但其模型各個骨架道并未完全平均化。因此模擬數值均偏大，但與實驗壓降趨勢較為吻合。

四、結論

選用多孔介質模型和Euler 模型建立散堆填料塔的三維數值模擬物理模型，模擬得出壓降與實驗得出的壓降誤差最大為10%，表明選用多孔介質模型代替散堆填料具有一定的合理性與可行性。由于多孔介質模型內部通道有未完全平均化，存在通道阻塞，因此得到的模擬壓降與實驗壓降之間存在一定的誤差并且偏大，但其數據趨勢具有合理性。