規整填料內氣相載荷對液膜流動特性的影響

李相鵬，李鋒，張超

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規整填料內氣相載荷對液膜流動特性的影響

李相鵬，李鋒，張超

(浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州，310032)

為研究逆向氣相載荷對規整填料表面液膜流動特性的影響，采用流體力學計算軟件FLUENT建立基于Navier?Stokes方程和VOF方法相結合的CFD分析模型，湍流結構模擬采用RNG?模型。針對Mellapak 250Y型金屬板波紋填料表面不同氣相載荷(因子)對液膜流體動力學特性的影響進行模擬分析。研究各工況下液膜動態運動分布、氣液兩相流場結構、界面速度場分布特征，及相應持液量、有效界面傳質面積變化分布規律。研究結果表明：氣相速度對上述參數均有不同程度影響。

氣液兩相流；規整填料；逆向氣流；因子

精餾和吸收過程中氣液兩相流場分布和界面傳質是目前業內研究的焦點[1]。基礎實驗測試和分析研究的不足，“效率駝峰”、液泛等機理尚不能完全掌握，這阻礙了分離效率的進一步提高。因此有必要對精餾過程中氣液兩相流體力學特性進行進一步地研究和探索[2]。就目前而言，對于規整填料塔內大規模流動和傳質過程的模擬還是無法采用直接數值模擬的方法進行。因此，現有研究多通過模擬填料層內一些代表性的結構單元內的氣液兩相的流動和傳質過程，來近似描述宏觀填料層內的流體力學行為和傳質行為[3]。針對規整填料內氣液兩相流的研究，Iliuta等[4]采用體積平均的方法，對規整填料塔建立了一個適用于載點以下操作范圍的兩相流模型，并用這個模型來計算填料層的壓降和持液量。Szulczewska等[5]建立了一個關于Mellapak 250Y型板波紋規整填料的二維兩相流模型，采用Fluent軟件對傾斜平板/波紋板和豎直平板/波紋板上的氣液兩相逆流流動的過程進行了模擬。Gao 等[6]針對Mellapak 250Y型板波紋規整填料表面液膜流動進行了數值模擬分析，研究了填料表面結構、液相流量的影響，同時針對逆流氣液兩相流進行了模擬，發現在界面處存在向下流動的氣流。劉春江等[7]采用流體體積(volume of fluid，簡稱為VOF)多相流模型建立了描述規整填料內部鼓泡流動現象的二維模型。Petre等[8]通過將規整填料拆分為若干填料單元的方法，研究了規整填料內的壓降，可以借助這種方法研究規整填料內的液相返混。Higler等[9?10]使用CFD工具研究了規整填料內流體的返混情況，他們主要以一種填料交叉單元和片填料為研究對象，并引入“Toblerone”單相流模型的概念，其研究不是針對整塔，而其結構單元也不能全面的體現規整填料的結構。Raynal等[11?12]針對規整填料表面氣液兩相流進行了一系列的數值模擬分析，研究了液?壁、氣?液間的相互作用、填料表面液膜流特征、持液量及氣液兩相間反應傳質過程。Trifonov[13]針對平板和波紋板表面液膜流動及其對液泛影響進行了一系列數值模擬分析，研究了氣相流量和填料表面結構對液膜流體動力學特性的影響，并對液泛形成機理進行了探索。Haroun等[14]采用直接數值模擬方法計算了平面表面和波紋板表面氣液兩相并流層流流動情況下氣液兩相流場結構、流線分布，采用VOF方法對氣液兩相界面波動性進行了分析，獲得了界面處液膜速度，并針對反應和非反應吸收過程界面傳質進行了研究。本文作者前期針對文獻[15]中C型填料表面降膜流進行了模擬分析，研究了逆向氣流作用下液膜流體動力學特性及持液量、有效界面傳質面積變化分布規律。至今對規整填料表面降膜流研究都是針對較高液相流量的情況，即能在填料表面形成穩定連續的液膜。然而，由于偏流或進料波動，局部液相流量可能會很低，這時填料表面液膜很薄甚至不連續。液膜破裂后填料表面直接與氣相接觸形成干板區，導致有效界面面積減小，從而影響傳質效率。所以有必要針對較低液相流量情況下液膜流體動力學特性及逆向氣載的影響進行進一步研究。本文作者采用Mellapak 250Y型金屬板波紋填料實際結構尺寸進行建模，基于Navier?Stokes方程和VOF多相流模擬方法建立了填料內氣液兩相流CFD分析模型，模擬分析了逆流流動條件下氣相載荷(因子)對小液相流量下液膜動態運動分布、氣液兩相流場結構、界面速度場分布及持液量、有效界面傳質面積變化分布特征的影響。

1 數值模擬模型

Mellapak 250Y型金屬板波紋填料結構參數如表1所示。根據其結構參數建立了如圖1所示的二維氣液兩相流分析模型，該模型被廣泛應用于填料內氣液兩相流的模擬研究中。取5個波紋進行模擬研究，模型長度為180 mm，包括氣相出口63 mm、液相入口5 mm，液相出口3 mm，氣相入口9 mm，其余各面為壁面，如圖1(a)所示。為跟蹤復雜的界面變化，模型采用結構化網格進行劃分。圖1(b)所示為波紋結構尺寸示意圖，圖1(c)所示為局部網格圖。

表1 Mellapak 250Y 型金屬孔板波紋填料結構特性參數[16]

(a) 計算模型示意圖；(b)波紋結構尺寸示意圖；(c)局部網格圖

考慮到氣液兩相流過程中復雜的界面變化，在界面區域需要對網格進行加密。一般要保證液膜厚度內包含5個以上的網格，而界面上的液膜往往不足1 mm，需要對網格從氣相區向液相區逐層加密，氣相區網格尺寸比較大，液相區網格尺寸比較小，填料間網格如圖1(c)所示，最后得到的網格總數約25萬個。

取甲醇?空氣體系作為氣液兩相流研究介質。液相和氣相入口設置速度邊界條件，壁面設置無滑移壁面邊界條件。結合Navier?Stokes方程、RNG?模型和VOF兩相流模型對規整填料表面液膜流形成和發展過程進行模擬分析。

RNG?模型是對瞬態的Navier-Stokes方程用重組化群(renomalization group theory)的數學方法推導出來的模型。RNG?模型與標準?模型很相似，其方程如下：

式中：G為平均速度產生的湍動能；G為浮力產生的湍動能；Y為湍流擴張波動對擴散率的影響；eff為有效黏度；1，2和3為模型常數；α和α分別為湍動能和耗散率的湍流普朗特數的倒數。湍流黏性系數計算公式為

相對標準?模型，RNG?模型適用于更廣泛的流動中，并且具有更高的可信度和精度。特別適用于模擬：分層流；環流；低雷諾數流體湍流；過渡流；渦旋流；彎曲幾何體內的流動；快速變形的流動；剪切層不穩定的流動和低Prandtl數流體的傳熱。

氣液兩相流及界面跟蹤采用VOF模型。在VOF模型中，各相流體共享一個動量方程，每一相的體積分數在整個計算域內被追蹤。適用VOF模型的多相流應用包括分層流、有自由分界面的流動、液體灌注、容器內液體震蕩、液體中大氣泡運動、氣液界面的穩態和瞬態追蹤等。

2 模型的模擬及驗證

為了驗證模擬所用的模型和數值方法的準確性，對文獻[15]中試驗工況進行建模分析，并與試驗結果進行比較。采用文獻[15]中的S型表面結構作為計算對象，甘油作為液相介質，其密度為1 261 kg/m3，動力黏度為0.45 Pa·s，表面張力為0.062 5 N/m。

對液相流量為1.843×10?6 m3/(s·m)流動穩定時形成的液膜狀況及CFD模擬與實驗得到的液膜厚度進行對比。圖2中，產生的最大絕對誤差在軸為01 mm時，為0.22 mm，同時在此處產生了最大相對誤差為5.77%，相對誤差范圍都在10%以內，平均相對誤差為2.36%，證明了數值計算模型和數值方法的準確性。

(a) 液膜分布；(b) 模擬數據與試驗測試數據對比

3 模擬結果與討論

3.1 氣相速度對液膜流分布特征的影響

在填料塔內氣液兩相的傳質分離過程多采用兩相逆流方式，而氣相載荷的變化對規整填料表面液膜流動的影響仍不是很明確。下面針對不同氣相載荷(因子，=·0.5，其中為氣相的空塔速度，為氣相密度)條件下液膜瞬態分布特征進行研究。液相流量設為0.75×10?4 m3/(s·m)，氣相進口速度分別取0，1，2和3 m/s，相應因子分別為0，0.83，1.66和2.49 Pa0.5。圖3所示為不同氣相因子時，液膜的分布云圖(取波紋板中部4個波紋表面液膜進行分析)。而圖4所示為不同氣相因子在不同時刻時液膜自由界面沿填料表面的變化分布曲線(=0.5，為波紋板波長)。

F/Pa0.5：(a) 0；(b) 0.83；(c) 1.66；(d) 2.49

/Pa0.5：(a) 0；(b) 0.83；(c) 1.66；(d) 2.49

圖4 不同因子時液膜自由表面變化分布曲線

Fig. 4 Evolution of liquid free surface with time at differentfactor

在小液相流量下，=0 Pa0.5(無入口氣速)時液膜在填料壁面形成穩定的液膜流，液膜貼合在填料表面，其形狀和填料表面形狀相似，由于液相流量小，液膜厚度非常小，其厚度為2.839×10?4 m左右，如圖3(a)和4(a)所示；當=0.83 Pa0.5時，由于氣流作用，液膜表面逐漸出現波動，在第7節波紋板表面出現液流積聚，其液膜厚度為2.868×10?4 m左右，(見圖3(b)和4(b))；當=1.66 Pa0.5時，液膜波動加劇，在第7節波紋板表面有時出現液流積聚而形成外懸的液流，其液膜厚度在3.053×10?4 m左右，如圖3(c)和4(c)所示；當=2.49 Pa0.5時，氣流作用變大，徹底破壞了液膜流動的平衡，液膜波動急劇增大，部分液膜脫離波紋板表面形成液滴，液滴落到對側形波紋板表面成另一股液流，部分液滴則隨氣流向上運動，形成液相“返混”現象，同時部分液膜處發生斷裂，出現干板區。液膜厚度最大處達到3.673×10?4 m，如圖3(d)和4(d)所示。

3.2 氣相速度對液膜流速度場分布的影響

在VOF模型中，各相流體共享一組控制方程，所以可以通過云圖觀察同一個工況下各區域的速度變化情況。圖5所示是液相流量為0.75×10?4 m3/(s·m)時不同氣相因子條件下氣液兩相速度分布云圖及局部流線圖。

當氣相=0 Pa0.5時，液膜流下降，帶動液膜附近的氣體下降，并與遠離液膜的氣體發生剪切作用，從而形成回流區，如圖5(a)所示。為0.83和1.66 Pa0.5時，氣體經過通道上升，由于氣流的影響，沿填料表面交錯形成大小不等規則分布的氣相回流區，如圖5(b)和5(c)所示。當氣相因子增大到2.49 Pa0.5時，波紋板波峰處液膜向上流動特征明顯，在液相區也形成回流區，液相區和氣相區回流區分布不規則，上升液滴背風面形成較大回流區，如圖5(d)所示。

F/Pa0.5：(a) 0；(b) 0.83；(c) 1.66；(d) 2.49

為深入了解不同因子時液膜動力學特性的變化規律，繪制了4個連續時刻時各工況兩相界面處速度分量v和v分布曲線圖，分別如圖6和圖7所示。

/Pa0.5：(a) 0；(b) 0.83；(c) 1.66；(d) 2.49

圖6 不同因子時液膜界面處速度分量v的變化曲線

Fig. 6 Distribution of velocity componentvat differentfactor

F/Pa0.5：(a) 0；(b) 0.83；(c) 1.66；(d) 2.49

當=0 Pa0.5時，如圖6(a)所示，v曲線沿波紋板表面呈周期性變化，v的峰值和谷值絕對值基本一致，液膜在波紋板傾斜表面上的v基本不變。=0.83 Pa0.5時，v明顯變化，v峰值和谷值分別出現在波紋板波峰和波谷處，在波紋板波峰處速度增大。這是因為氣流直接作用在液膜表面使其速度增大，其速度變化為?0.32 m/s至1.0 m/s。=1.66 Pa0.5時曲線和圖6(b)的曲線圖大致一樣。隨著氣相速度的增大，v的峰值有所增大，其速度變化為?0.3 m/s至1.6 m/s，見圖6(c)。氣相因子=2.49 Pa0.5時液膜界面處速度分量v波動劇烈，速度變化為?4 m/s至3.2 m/s，如圖6(d)所示。

當=0 Pa0.5時，液膜表面速度分量v沿波紋板表面呈周期性分布，且v均為負值(速度向下)，v谷值在波紋板波峰處，為?0.57 m/s。=0.83 Pa0.5時，在波紋板波峰處v出現峰值，且v＞0 m/s(速度向上)，說明在波紋板波峰處液膜有向上流動的特征，最大值約1 m/s，見圖7(b)。當=1.66 Pa0.5時，v的分布曲線與=1 Pa0.5時相似，見圖7(c)；只是液膜向上流動的特征更加明顯，在波峰處v峰值最大為2.1 m/s。當=2.49 Pa0.5時，液膜波動劇烈，界面v＞0 m/s的面積進一步增大，v峰值最大達到3.9 m/s，見圖7(d)。

3.3 氣相速度對液膜持液量和有效傳質面積的影響

圖8(a)和8(b)所示分別為持液量L及有效界面傳質面積與填料比表面積比值e/p隨因子的變化曲線。圖8(a)所示為L隨因子的增大而增大，且當因子小于1.66 Pa0.5時增幅較小，氣相因子大于1.66 Pa0.5時增幅較大；有效界面傳質面積的變化分布也基本類似，當氣相因子小于1.66 Pa0.5時，e/p隨因子的增大稍有增大，當氣相因子大于1.66 Pa0.5時，液膜波動劇烈，有效傳質面積增幅較大。

(a) hL與F因子的關系；(b) ae/ap與F因子的關系

4 結論

1) 在小液相流量下，氣相=0 Pa0.5時液膜形成穩定的液膜流，液膜形狀和填料表面形狀相似；氣相為0.83和1.66 Pa0.5時，液膜表面逐漸出現波動，波紋板波峰和波谷出現液流積聚；=2.49 Pa0.5時，液膜流發生斷裂出現干板區，同時發生“返混”現象。氣相因子在0~2.49 Pa0.5范圍內，隨著因子的增大液膜厚度有所增加。

2) 當氣相=0 Pa0.5時，液膜流帶動附近氣體下降并在液膜中部形成回流區；而為0.83和1.66 Pa0.5時，由于氣流作用，沿填料表面交錯形成大小不等規則分布的氣相回流區；=2.49 Pa0.5時，氣流作用加劇，液相區和氣相區回流區分布不規則，上升液滴背風面形成較大回流區。

3) 當氣相=0 Pa0.5時，v曲線上的峰值和谷值絕對值大致相同；氣相為0.83和1.66 Pa0.5時，v曲線的分布特征近似，v峰值和谷值出現在填料波紋頂部和底部處，由于氣流的影響，v在波峰處增大，且隨著因子增大，v峰值有所增大；氣相因子=2.49 Pa0.5時，v波動加劇，v峰值和谷值均有所增大。

4) 當氣相=0 Pa0.5時，v均為負值(速度向下)，v在波紋板波峰處較小；氣相為0.83和1.66 Pa0.5時，v曲線的分布特征接近，在波紋板波峰處出現v＞0(速度向上)的區域，液流出現向上流動特征，且隨著因子增大，v峰值有所增大；氣相因子=2.49 Pa0.5時，界面v＞0的面積進一步增大。

5) 氣相因子在0~2.49 Pa0.5范圍內，隨著因子的增大h和e/p均有所增大；氣相因子小于1.66 Pa0.5時，氣相因子增大時Le/p增幅較小，氣相因子大于1.66 Pa0.5時，增幅較大。

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(編輯 楊幼平)

Influences of gas load on hydrodynamics of liquid film flow over structured packings

LI Xiangpeng, LI Feng, ZHANG Chao

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China)

In order to study influences of the countercurrent gas load on the hydrodynamics of liquid film flow, a CFD model based on Navier?Stokes equations and VOF method was developed with software package FLUENT, and the turbulent structure was modeled with RNG?model. The simulations were conducted to study the variations of liquid film hydrodynamics with countercurrentgas load (factor)over Mellapak 250Y corrugated packing sheet. The analysis was mainly focused on the transient motions of liquid film, gas-liquid two-phase flow structure, velocity fields distribution feature along interface, and corresponding liquid holdup and effective interfacial area. The results show that the counter current gas flow velocity has great influence on the previously mentioned parameters.

gas-liquid two-phase flow; structured packing; countercurrent gas flow;factor

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.010

TQ028.4

A

1672?7207(2015)04?1239?08

2014?04?19；

2014?06?08

浙江省自然科學基金資助項目(Y20110169)；“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAK06B02)(Project (Y20110169) supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province of China; Project (2011BAK06B02) supported by the National Science and Technology Pillar Program During the 12th Five-year Plan Period)

李相鵬，博士，副教授，從事熱能工程、化工過程等數值模擬與優化研究；E-mail：rocleexp@zjut.edu.cn