規(guī)整填料塔液相流動的計算流體力學模擬

1、第55卷第8期2004年8月化工學報Journal of Chemical Industry and Engineering (China Vol 1558August 2004研究簡報規(guī)整填料塔液相流動的計算流體力學模擬張鵬劉春江袁希鋼余國琮(化學工程聯(lián)合國家重點實驗室(天津大學 、天津大學化學工程研究所, 天津300072關鍵詞規(guī)整填料計算流體力學模擬中圖分類號TQ 02811文獻標識碼A文章編號0438-1157(2004 08-1369-05CFD SIMULA TIONS OF L IQU ID PHASE FLOW INSTRUCTU RED PAC KED COL UMNZHAN

2、 G Peng , L IU Chunjiang , YUAN Xigang and YU Guocong (K 1T 1Yu (S tate Key L aboratory of Chemical Engineering (Tianjin U niversity ,Chemical Engineering Research Center , Tianjin U niversity , Tianjin 300072, Abstract Liquid flow behavior , such as velocity is of considerable importance in determi

3、ning column performance. method , a computational fluid dynamics (CFD model was proposed in a structured packing column where the gas phase is stationary. A 350Y had an inside diameter of 150mm and a height of 1000the flow equations. A commercial CFD code , PHOEN ICS 313, was used to predict behavio

4、r of the liquid phase flow. The simulated profiles of pressure , velocity and concentration of the tracer were presented. The axial backmixing coefficients evaluated by the CFD results were presented and compared with the experimental data and the relative deviation was 318%3618%.Keywords structured

5、 packing , computational fluid dynamics , simulation2003-09-22收到初稿, 2004-02-13收到修改稿.聯(lián)系人:劉春江. 第一作者:張鵬, 男, 33歲, 博士, 現(xiàn)在吉林化工學院工作.基金項目:國家自然科學基金項目(No 120206021 和天津市自然科學基金項目(No 1023606711 共同資助.引言規(guī)整填料因具有諸多優(yōu)異性能, 已在工業(yè)上廣泛應用, 但是至今人們對規(guī)整填料內(nèi)流體流動機理的研究還不是十分透徹, 從而限制了其進一步的發(fā)展和更新. 與散堆填料不同, 規(guī)整填料在結(jié)構(gòu)上既有規(guī)整性又有復雜性, 屬各向異性, 因此對

6、其內(nèi)流體流動的研究具有一定的難度. 而現(xiàn)代計算流體力學(computational fluid dynamics , 簡稱CFD 的發(fā)展和計算機的快速更新?lián)Q代, 使得用CFD 方法解決填料塔內(nèi)的問題成為可能. 從事這方面研究較早Received date :2003-09-22.Corresponding author :Dr. L IU Chunjiang. E -mail :cjliu tju 1edu 1cnFoundation item :supported by the National Natural Science Foun 2dation of China (No 120206

7、021 and the Natural Science Foundation of Tianjin (No 1023606711 .的有余國琮學科組1,他們曾以嚴格的Navier 2Stokes 方程(簡稱N 2S 方程 (或Reynolds 方程 及連續(xù)性方程為基礎, 用較簡化的邊界條件對填料塔內(nèi)帶有傳質(zhì)(增濕、減濕 的氣液兩相流流動進行了模擬, 在求解速度分布的同時與傳熱和傳質(zhì)方程聯(lián)解求出溫度及濃度(濕度 分布. 1998年, Krishna 學科組24對規(guī)整填料反應床內(nèi)的液相返 混進行了實驗測定和CFD 模擬. 他們使用的填料為KA TAPA K 2S 規(guī)整填料. 實驗為氣液兩相流, 為

8、便于CFD 計算, 引入了Toblerone 模型的概念, 使兩相流問題簡化為單相流來處理. 另外, 陳強5、王金戌6等也曾對板波紋規(guī)整填料層混合單元內(nèi)流體的流動進行過數(shù)值模擬, 其研究對象為J CPT 塔板提升管上垂直放置且整齊排列在一起的一段規(guī)整填料中的一個混合單元, 氣液兩相在填料通道中的運動按擬均相處理. 他們采用三維有限差分技術, 運用N 2S 方程研究計算層流狀態(tài)下強制流動流體在填料混合單元內(nèi)的三維流場, 并給出了混合單元內(nèi)兩流道交界面處的三維流場圖, 對交界面處流體的混合機理進行了分析. 最近, Szul 2czewka 、Zbicinski 和G orak 7利用其所建的CFD

9、 模型研究了Mellapak 250Y 規(guī)整填料內(nèi)氣液兩相的相際接觸面積隨氣液相流速、流體物性等的變化情況, 通過與實驗數(shù)據(jù)對比表明用CFD 方法研究規(guī)整填料內(nèi)流體的流動狀況具有可行性和優(yōu)越性.本文主要論述在直徑為150mm 、高為mm 、填料為Mellapak 350Y .1模型的建立在計算流體力學理論中, 被廣泛應用和認可的基本方程為質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程 和動量守恒方程(N 2S 方程 . 而這些基本方程是對連續(xù)介質(zhì)而言的, 對于規(guī)整填料塔內(nèi)流體的流動, 液相常為分散相, 因此, 建立描述填料塔內(nèi)流體流動規(guī)律的流體力學模型就必須對非連續(xù)介質(zhì)連續(xù)化. 作者通過引入表征體元的概念, 采用體

10、積平均的方法使非連續(xù)介質(zhì)連續(xù)化, 建立了描述規(guī)整填料塔內(nèi)氣相速度為零時液相流動的計算流體力學模型. 詳細的推導過程參見文獻8, 其中體積平均的各方程如下.體積平均的連續(xù)性方程(l l u l =0(1體積平均的運動方程t+ (l l u l u l +l p l - (l l l u l - (l D l u l -F s l =0(2式中D 為彌散系數(shù), 需由實驗測得的返混系數(shù)進行求算8; F s l 為液固相間的相互作用力, 可采用下式計算9F s l =-2d 2e 2l -d e 5/4lu l (3體積平均的質(zhì)量傳遞方程c t+ (l u l c -D AB 2(l c - (D l

11、 c =0(4以上建立的連續(xù)性方程、運動方程和質(zhì)量傳遞方程可直接用于層流的計算. 對于湍流情況, 需對以上各式進行Reynolds 平均處理.2液相單相流速度場的模擬211模擬過程用PHOEN ICS 313軟件模擬液相單相流速度場的步驟如下.(1 建立物理模型. 填料塔的塔壁為不銹鋼, 塔直徑為150mm , 塔高為1000mm , 填料為Mel 2lapak 350Y 規(guī)整填料. , 液相入口為塔, , . 各方向的網(wǎng)格數(shù):x 方向(即填料片伸展方向 為30; y 方向(即與填料片垂直的方向 為30; z 方向(即軸向方向 為50.(3 確定邊界條件. 入口邊界主要確定流體的密度、進口流速

12、; 出口邊界主要確定出口截面處的壓力, 若出口處同時有流體流入, 還需給定流入流體的速度; 塔壁為無滑脫邊界.(4 選擇湍流模型. 根據(jù)填料內(nèi)流體的表觀流速及流體的物性確定選擇層流模型還是湍流模型,對于湍流模型本文選用k 2雙方程模型. (5 確定各求解變量的初值. 根據(jù)實驗條件確定各變量的初值, 并根據(jù)計算的收斂情況不斷調(diào)整.(6 確定有效渦流擴散系數(shù). 在PHOEN ICS軟件中, 可通過在運動方程的擴散項前乘以一個系數(shù)來改變渦流擴散系數(shù)的值. 在具體實現(xiàn)方法上可通過在Q1文件中使用PA TCH 和COVAL 語句. 對于規(guī)整填料, 因其各方向的擴散程度不同, 與填料片垂直方向的擴散系數(shù)是

13、沿填料片伸展方向的擴散系數(shù)的0101倍 , 因此在運動方程中, 若沿填料伸展方向的擴散項乘以系數(shù)c , 則與填料片垂直方向的擴散項就應乘以系數(shù)0101c . 另外, 填料在裝填時, 通常相鄰兩盤間要成一定角度, 而本文模擬0731化工學報2004年8月的是相鄰兩盤填料的伸展方向成90°角, 這樣每經(jīng)過一盤填料, x 、y 方向的擴散系數(shù)就要互換.(7 加入相間相互作用力項. 液固相間相互作用力F s l 可視為源項.(8 確定數(shù)值方法. 確定計算的迭代步驟、收斂精度、變量的限定區(qū)間, 并根據(jù)收斂速度調(diào)節(jié)松弛因子. 212模擬結(jié)果下面以壓力為017MPa 、液相流量為500L h -1

14、的一組實驗為例闡述液相單相流的模擬結(jié)果. 由實驗數(shù)據(jù)8求得此條件下液相在填料縫隙間的有效流速為010714m s -1, 返混系數(shù)為010046m 2s -1, 液相相含率為0117. 此條件下的模擬結(jié)果如下面各圖所示.圖1為填料塔內(nèi)壓力場的模擬結(jié)果, 圖中顯示的為y =75mm 處的x z 剖面的動力壓力分布, 從液相入口到出口壓力逐漸降低, 這主要是由于液體在填料塔內(nèi)流過時受到固體填料和塔壁面摩擦阻力作用的結(jié)果. 可見, 對于350Y 型規(guī)整填料, 當水以500L h -1的流量流過1m , 的動力壓力降為1146kPa. 的模擬結(jié)果, =z 剖面圖. 由圖可見, , x 、y 方向的速度

15、分量很小. 這是因為本文建立的模型是體積平均模型, 模型中各變量都具有體積平均的意義, 即為表征體元內(nèi)的相平均值, 這樣, 對于液相速度而言, 在表征體元內(nèi)x 正方向的速度和x 負方向的速度數(shù)值基本相等, 方向相反, 結(jié)果使體積平均后的u x 數(shù)值很小, 而與填料片垂直的y 方向的速度本來就很小, 體積平均后使u y 值更小. 模擬結(jié)果表明u x 、u y 的數(shù)量級在10-6m s -1左右, 近似為零, 這也說明本文建立的模型還不能精確地描述填料塔內(nèi)徑向速度的分布情況. 而z 方向速度u z 作為主流速度, 其值與流體的有效流速基本相等, u z 沿軸向方向變化也不大, 只是在入口段速度稍有

16、下降. u z 沿x 、y 方向的分布示于圖3, 該圖分別給出了液相入口和液相出口處xy 剖面的液相軸向速度分布. 由圖可見, 在液相入口處軸向速度沿徑向變化較大, 從中心向壁面逐漸變小, 而在液相出口處軸向速度沿徑向基本不變化, 顯然近壁處的模擬結(jié)果不是很精確, 這主要是由于近壁處的網(wǎng)格劃分得不夠十分細的緣故 .Fig 11Profile of pressure in xz cross 2sectionFig 12Profile of liquid velocityin xz cross 2 sectionFig 13Profile of u z in xy cross 2section3液

17、相單相流濃度場的模擬311模擬過程本文采用示蹤劑法研究填料塔內(nèi)流體的流動情況. 示蹤劑的加入認為對流場沒有影響, 這樣, 示1731第55卷第8期張鵬等: 規(guī)整填料塔液相流動的計算流體力學模擬蹤劑和流體可使用同一速度場, 而通常示蹤劑與流體的物性也非常接近, 因此, 模擬仍然認為在單相流條件下進行. 模擬方法是在速度場模擬的基礎上增加如下一些過程.(1 模擬變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)過程. 為獲得某一軸向位置處示蹤劑濃度的停留時間分布曲線以計算此處的軸向返混系數(shù), 濃度場的模擬應是一非穩(wěn)態(tài)的過程. 對于速度場而言, 通常比較容易達到穩(wěn)態(tài), 一般經(jīng)過23個時間迭代步驟就基本不再變化. 本文計算中選用的時間步長為

18、015s , 迭代步驟為80步, 即40s.(2 在液相入口端面中心處增加示蹤劑入口. 模擬時先進行速度場的計算, 當速度場穩(wěn)定后再開始加入示蹤劑, 示蹤劑采取脈沖注入方式. 本文示蹤劑的注入時刻為115s , 注入時間為015s.(3 確定有效傳質(zhì)擴散系數(shù). PHOEN ICS 軟件中, 傳質(zhì)系數(shù)的引入是通過Schmidt 數(shù)實現(xiàn)的.(4 確定濃度初值、松弛因子及每個時間步長內(nèi)的迭代步驟, 來提高收斂的速度和精度. 312模擬結(jié)果與速度場的模擬一樣, MPa 、h 圖4為不同時刻在x z 剖面上示蹤劑的濃度分布. 由圖可見, 示蹤劑剛開始加入時, 因規(guī)整填料沿不同方向的返混系數(shù)不同, 示蹤劑

19、的擴散速度也不同, 沿軸向的擴散速度比沿與填料片垂直方向的擴散速度大. 因相鄰兩盤填料垂直擺放, 圖中x 軸在不同填料盤位置代表的方向不同. 從上數(shù)第1盤填料, x 方向代表與填料片垂直的方向, 因此從115s 時刻的濃度場圖可見, 示蹤劑沿y 、z 方向的擴散速度遠高于x 方向的; 第 2盤填料, x 方向代表填料片的伸展方向, 如215s 時刻的濃度場圖所示, 此時x 、z 方向的擴散速度遠高于y 方向的; 以此類推. 經(jīng)過3盤左右的填料后, 示蹤劑已被填料均勻分布, 其濃度沿徑向已基本沒有變化. 由圖也可看出, 示蹤劑在隨著流體不斷的流動和擴散中其最高濃度值在不斷下降, 其所在的位置也在

20、不斷向下游移動. 根據(jù)示蹤劑濃度場的模擬結(jié)果, 即可繪出某一軸向位置處示蹤劑濃度的響應曲線 , 據(jù)此便可反算出相應位置處的軸向返混系數(shù). 圖5為不同液相噴淋密度時測試段長度為1m 時的液相單相流軸向返混系數(shù)的模擬值與實驗值8的比較, 它們的偏差在318%3618%之間, 圖中也顯示液相軸向返混系數(shù)隨液相噴淋密度的增大而增大, 這主要是由于液速的增大使相間相互作用力增大導致的.Fig 14Profile of liquid tracer concentration in xzcross 2section at different time stepsFig 15Variation of D e

21、, l with l4結(jié)論采用體積平均的方法建立了規(guī)整填料塔內(nèi)液相單相流的體積平均連續(xù)性方程、運動方程和質(zhì)量傳2731化工學報2004年8月遞方程, 并用PHOEN ICS 313軟件對速度場和濃度場進行了模擬, 給出了不同剖面的壓力分布圖、速度分布圖和不同時刻x z 剖面的示蹤劑濃度分布圖. 模擬結(jié)果能反映規(guī)整填料內(nèi)液體的流動情況, 但在近壁處的模擬結(jié)果因受網(wǎng)格數(shù)目的限制而不是很精確. 還根據(jù)模擬的示蹤劑濃度分布對液相單相流的軸向返混系數(shù)進行了反算, 所得的結(jié)果與實驗值的偏差小于37%.符號說明c 濃度, kg kg -1D AB 分子擴散系數(shù), m 2s -1D e , l 液相軸向返混系

22、數(shù), m 2s -1D 彌散系數(shù), m 2s -1d e 填料的等效直徑, m F s , l 液固相間相互作用力, Pa l 液相噴淋密度, m 3m -2h -1p 壓力, Pa t 時間, s u 速度, m s-1u l 液相速度, m s-1x , y , z Cartesian l l s 運動黏度, m 2s -1l 液體密度, kg m -3References1Yu K T , Yuan X J , Dong G Q. Two Phase Flow and HeatTransfer. IS M E , 1992(2 :2152212Coen van Gulijk 1Using

23、 Computational Fluid Dynamics to CalculateTransversal Dispersion in a Structured Packed Bed. Com p 1Chem 1Eng 1, 1998, 22:s767s7703Higler A P , Krishna R , Ellenberger J , Taylor , R. Counter 2current Operation of a Structured Catalytically Packed 2bed Reactor :Liquid Phase Mixing and Mass Transfer.Chem 1Eng 1Sci 1,1999, 54(21 :514551524van Baten J M , Ellenberger J , Krishna R 1Radial and AxialDispersion of the Liquid Phase Within a KATAPA K 2S Structure :Experiments vs . CFD Simulations.Chem 1Eng 1S