氣相F因子對規整填料內液膜流動的影響

李相鵬，楊立軍，李　鋒

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州310014)

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氣相F因子對規整填料內液膜流動的影響

李相鵬，楊立軍，李鋒

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州310014)

摘要：采用CFD數值模擬方法研究規整填料內液相參數改變時氣相F因子對氣液兩相流體動力學的影響，建立基于流體力學軟件FLUENT并與Navier-Stokes方程和VOF方法相結合的二維模型，湍流結構模擬采用RNG K-ε模型.對Mellapak 250Y型金屬板波紋填料在不同液相流量和表面張力下氣相F因子對液膜流體動力學的影響進行模擬分析，并與文獻實驗結果對比驗證.結果表明：不同液相參數下，受氣相F因子的影響，液膜逐漸由穩定流動變為液滴；持液量隨流量的增大而增加，隨表面張力的增加先增大后減小；當流量超過臨界值時，有效傳質面積突然增大，而有效傳質面積隨表面張力的增加而持續增大；受氣相F因子和液相參數的影響，速度分布Vy存在臨界值，當液相參數大于臨界值時Vy波動較大，液面變化較大.

關鍵詞：氣相F因子；氣液兩相流；規整填料；液相流量

規整填料塔具有效率高、通量大、壓降低和放大效應小等優點，已在諸多工業分離過程中得到廣泛應用[1].目前，對于規整填料塔的研究主要集中在傳質過程和流體力學的實驗方面[2]，但對于復雜的流場、溫度場和濃度場等的實驗研究，并未形成一個普遍適用的經驗模型，而僅僅適用于特定的實驗范圍，因此所得出的預測結果具有一定的局限性[3].隨著計算機技術的廣泛應用，計算流體力學(CFD)已經成為研究流體動力學的重要分析方法[4].Van Gulijk[5]利用CFD軟件對填料內液相流動及徑向返混行為進行了研究，提出了“Toblerone”三維簡化模型.在此基礎上Van Baten等[6-8]建立針對KATAPAK-S型反應精餾規整填料的8孔道模型，模擬液相軸向和徑向的返混情況，得出的返混系數與實驗值近似.Szulczewaka B等[9]建立了Mellapak 250Y型金屬填料的二維兩相逆流模型，對多種形式波紋板的氣液兩相逆流流動的過程進行了模擬，并將氣速、液速和液體的物理性質對氣液相界面面積的影響進行模擬研究.Raynal等[10]為研究規整填料液膜厚度、持液量等，建立了“Z”狀流動路線的二維兩相流模型，并進一步針對界面傳質進行了研究.浙江工業大學李相鵬[11]通過模擬研究液相物性對規整填料內氣液兩相流的影響，重點研究了密度、粘度改變時對液膜流動的影響；李相鵬等[12]模擬研究不同氣相F因子對液膜流體動力學的影響，特別是各工況下液膜動態運動分布、持液量以及有效傳質面積的變化情況.

筆者結合前人的研究結果，建立填料的二維模型，并結合Navier-Stokes方程和VOF模型，研究氣液兩相流在填料內的流動情況，并通過改變液相參數，研究氣相F因子對液膜分布狀況、兩相流場的結構變化、速度分布以及有效傳質面積的影響情況.

1計算模型

1.1建模

Mellapak 250Y型金屬板波紋填料參數如表1所示.根據結構尺寸，選其中的5個波紋建立二維氣液兩相流模型，其中模型總長180 mm，氣相入口9 mm，氣相出口63 mm，液相入口5 mm，液相出口3 mm，波紋板間距為24 mm如圖1(a)所示.氣相由氣相進口進入，在壓力的作用下穿過曲折的流道，并最終由氣相出口流出，在此過程中，氣相與由液相進口進入的液相在曲折的流道中不斷地接觸，達到傳質、混合的目的，液相最終由液相出口流出；圖1(b)為局部的網格、尺寸圖，網格為結構化網格，利于跟蹤復雜的界面變化，同時在界面區域對網格進行加密.

表1　Mellapak 250Y型填料參數

圖1　模型結構示意圖Fig.1　Model structure diagram

1.2邊界條件和計算方法

設置邊界條件，氣相入口和液相入口為velocity-in，氣相出口和液相出口為pressure-out，壁面無滑移，計算方法為VOF多相流模型和RNGK-ε氣液兩相湍流結構相結合，這種方法能夠更為準確的跟蹤氣液兩相界面的變化情況，以及液膜的形成和發展過程.

2模型的驗證

為了驗證CFD模型和計算方法的準確性，以文獻[14]中的復雜表面液膜流動實驗數據為基礎，采用相同的試驗工況建立模型，并將實驗結果與模擬結果相互對比.根據文獻[14]中規整填料的結構形式，選用其中的C型表面結構作為實驗對象，其表面結構的圓弧半徑為1.587 5 mm，圓弧之間間距為0.2 mm，單節波紋總長3.375 mm；以硅油為對比模擬介質，其物理參數如下：密度969 kg/m3，粘度0.088 5 Pa·s，表面張力0.021 4 N/m，單位寬度液相流量為1.979×10-6m3/(s·m).如圖2所示，將流動穩定時的液膜狀態與CFD模擬結果對比發現：兩者契合度較好，誤差較小，絕對值偏差均小于10%，平均絕對偏差為3.06%，所建立的模型符合要求.

圖2　模擬結果與實驗結果的對比Fig.2　Comparison of simulation result and experimental result

3液相流量改變時氣相F因子對液膜流動的影響

液膜流動狀態主要是由氣相因子決定的，氣相作用在液膜表面使得液膜發生變化，但氣相F因子的作用會受到液相流量的影響，因此在此以空氣-甲醇為模擬對象，研究單位寬度液相流量改變時逆向氣載對氣液兩相流體動力學特性的影響，單位寬度液相流量Q分別為1.5×10-4，3.0×10-4，4.5×10-4，6.0×10-4m3/(s·m)，氣相進口速度取2 m/s(氣相F因子1.66 Pa0.5).

3.1對液膜流速度場分布的影響

由圖3可得規整填料內的氣液流動狀況，液膜速度沿波紋板表面呈周期性變化，靠近液膜的氣體在曳力的作用下一同下降，并與其他氣體產生剪切作用，從而在液膜附近形成回流.

圖3　氣液兩相流分布云圖Fig.3　Contours of gas-liquid

圖4為不同單位寬度液相流量時，氣相F因子作用下液膜自由界面沿填料表面分布圖.從圖4可得：單位寬度液相流量Q從1.5×10-4～4.5×10-4m3/(s·m)時，在氣相F因子作用下液膜表面分布基本一致，液膜貼合在填料表面，厚度在6.0×10-4m左右，只有微小波動，且隨著時間的變化不大，只有在波紋板波峰和波谷處液流發生積聚，尤其在波紋板波谷處液流積聚比較明顯，4.5×10-4m3/(s·m)即為單位液相流量的峰值，當小于峰值時，液膜流動穩定，而當液體流量超過峰值時，液膜則會發生劇烈波動，以Q=6.0×10-4m3/(s·m)為例，氣相F因子的作用變大，液膜波動劇烈，破壞了液膜平衡，液膜厚度達到9.9×10-4m，且隨時間變化很大，部分液流被氣流吹起形成小液滴.

單位液相流量改變時，氣相F因子對速度分量vx和vy的影響基本一致，現只分析vy變化情況，如圖5所示，速度分量vy沿波紋板表面呈周期性變化，波峰處的速度vy>0，說明在波紋板波峰處液膜有向上的流動；單位寬度液相流量從1.5×10-4m3/(s·m)增大到4.5×10-4m3/(s·m)時，隨著單位寬度液相流量的增大，氣相F因子作用下vy峰值有所變小，而vy谷值幾乎不變；當Q=6.0×10-4m3/(s·m)時，即液相流量超過峰值時，氣相F因子作用下，液膜波動劇烈，vy峰值急劇變小.

圖4　液膜分布隨液相流量Q的變化曲線Fig.4　Distribution of liquid surface with different Q

圖5　速度分布Vy隨液相流量Q的變化曲線Fig.5　Distribution of Vy with different Q

3.2對液膜傳質參數的影響

圖6為單位寬度液相流量改變時，氣相F因子對持液量hL及有效界面傳質面積與填料比表面積比值ae/ap的影響.單位寬度液相流量Q從1.5×10-4m3/(s·m)增大到4.5×10-4m3/(s·m)時，隨著液相流量的增加，在氣相F因子作用下，持液量hL隨之增大，但增幅較小；當液相流量Q增大到6.0×10-4m3/(s·m)，流量超過臨界值時，hL增幅較大，而ae/ap的變化情況基本類似；在單位寬度液相流量Q從1.5×10-4m3/(s·m)增大到4.5×10-4m3/(s·m)時幾乎不變，當單位寬度液相流量Q增大到6.0×10-4m3/(s·m)時，流量超過峰值，氣相F因子作用下，液膜波動劇烈，有效傳質面積增幅較大.

圖6　不同Q下，hL和ae/ap的變化曲線圖Fig.6　Curve of hL and ae/ap with different Q

4表面張力改變時氣相F因子對液膜流動的影響

氣相F因子對液膜流動狀態的影響同樣會受到液相流量的作用，在氣液兩相體系中，表面張力的作用主要是通過減小界面的面積而使自由能最小化，所以在液相物性中表面張力的作用至關重要.模擬時，表面張力σ選取0.02，0.04，0.06，0.08 N/m，將單位寬度液相流量Q設為3.0×10-4m3/(s·m).

4.1對液膜流速度場分布的影響

由圖7可得：表面張力σ從0.02 N/m增大至0.04 N/m時，在氣相F因子作用下液膜厚度有一定增大，但增幅不大，液膜平均厚度為6.0×10-4m左右，此時液膜達到臨界值；當表面張力σ超過0.04 N/m后，臨界狀態打破，在氣相F因子的作用下液膜發生波動，氣流吹動液流形成小液滴，并且液膜厚度逐漸減小；表面張力σ在0.06 N/m時液膜平均厚度為6.59×10-4m，表面張力σ在0.08 N/m時液膜平均厚度為5.58×10-4m.

圖7　液膜分布隨表面張力σ的變化情況Fig.7　Distribution of liquid surface with different σ

表面張力對液膜界面速度分量vx和vy的影響基本一致，圖8為界面速度分量vy分布曲線圖，表面張力σ從0.02 N/m增大至0.04 N/m時，速度分量vy沿波紋板表面呈周期性分布，在氣相F因子作用下vy峰值隨著表面張力增大有所減小；當表面張力σ為0.06，0.08 N/m時，液膜發生波動，但vy主體變化情況幾乎不變，且隨著表面張力增大vy峰值繼續減小.

圖8　液膜速度分布Vy隨表面張力σ的變化情況Fig.8　Distribution of Vy with different σ

4.2對液膜傳質參數的影響

圖9為表面張力σ改變時逆向氣載對持液量hL及有效界面傳質面積與填料比表面積比值ae/ap的影響.從圖9發現：表面張力σ從0.02 N/m增大至0.04 N/m時，在氣相F因子作用下持液量hL隨表面張力的增大而增加；表面張力σ超過0.04 N/m后，即表面張力超過臨界值時，持液量hL隨表面張力的增大而減少；而傳質面積與填料比表面積比值ae/ap隨表面張力的增大而增加，但是增長趨勢不明顯.

圖9　hL和ae/ap的變化曲線圖Fig.9　Curve of hL and ae/ap

5結論

通過對Mellapak 250Y型金屬板波紋填料建立二維模型，分析當改變單位寬度液相流量Q和表面張力σ時，填料表面的液膜厚度、流動情況以及氣相F因子對持液量hL和傳質面積與填料比表面積比值ae/ap的影響情況.模擬結果表明：隨著單位寬度液相流量Q和表面張力σ的變化，填料表面均有一層穩定的液膜，但在氣相F因子作用下，液膜流動會發生變化，并在波峰、波谷處發生聚集；隨單位寬度液相流量Q的增加，流道變窄，氣相F因子作用增大，液膜波動劇烈，液膜厚度隨之增大；速度分量vy波動幅度增大，并有液滴形成；hL和ae/ap也隨之增大；而隨著表面張力σ的增加，穩定液膜流產生波動，形成液滴；速度分量vy主體不變，峰值減小；氣相F因子與表面張力σ共同作用下會使ae/ap值隨之增大，但hL值卻先增大后減小.同時，模型采用FLUENT軟件，可以更為直觀的得出液膜在不同液相參數時隨時間的變化情況，這為得出臨界條件、設置合理的操作參數提供了便利，同時FLUENT還可以隨意改變各項參數，為得出不同狀態下的試驗參數提供了方便，而且節約了大量的時間和資金，也為裝置結構的改進提供參考.

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(責任編輯：陳石平)

Influences of countercurrent gasFfactor on dynamics of liquid film flow over structured packing

LI Xiangpeng, YANG Lijun, LI Feng

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The influences of F factor in different liquid parameters on the hydrodynamics simulation of gas-liquid two-phase flow in the structured packing were simulated using the CFD numerical techniques. A 2D model based on Navier-Stokes equations and VOF method was developed based on the platform of FLUENT, and the turbulent structure was modeled with RNG K-ε model. The simulations were conducted to study the variations of liquid film hydrodynamic with F factor at different liquid flow rate, surface tension over Mellapak 250Y corrugated packing sheet, and the model was validated by the experimental results presented in literature. The results show that at the different liquid parameters, because of the impact of F factor, the liquid film from a steady flow into droplets; the liquid holdup increases with the Q, decreases with the increase of the σ; When the flow exceeds a critical value, a sudden increase in the ae/ap, and the ae/ap increase with the increase of the σ; as the influence of F factor and liquid parameters, the Vy has a critical value, when the phase parameter is greater than the critical value, the Vy changes in the larger level.

Keywords:F factor; gas-liquid two-phase flow; structured packing; liquid flow rate

收稿日期：2015-09-14

基金項目：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)

作者簡介：李相鵬(1977—)，男，湖南寧鄉人，副教授，主要從事熱能工程、化工過程等數值模擬與優化研究，E-mail：rocleexp@zjut.edu.cn.

中圖分類號：TQ028.4

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)02-0195-07