磷酸二銨尾氣脫濕過(guò)程的霧狀與膜狀冷凝機(jī)制

磷酸二銨尾氣脫濕過(guò)程的霧狀與膜狀冷凝機(jī)制

采用廢水處理技術(shù)，廢水含量達(dá)到0.604kg（ho）/kg（海洋）。直接排放不僅浪費(fèi)了能源，還污染了環(huán)境。利用相變減少排放物質(zhì)量并回收相變能,一舉兩得。其關(guān)鍵問(wèn)題之一是尾氣中的蒸汽冷凝,現(xiàn)有理論研究一般基于膜狀冷凝假設(shè),并視氣相為水蒸汽所飽和。事實(shí)上磷銨高濕分工藝尾氣極易出現(xiàn)局部過(guò)飽和并以?shī)A帶的大量氣溶膠微粒為核誘發(fā)霧化和凝聚。本研究提出基于壁面冷卻的膜狀冷凝與霧狀冷凝并存的機(jī)制。如圖1所示,膜狀冷凝依附于冷壁面發(fā)生,相變潛熱直接傳遞給冷壁面;霧狀冷凝則發(fā)生在氣相空間的過(guò)飽和區(qū)域,相變潛熱保留在氣相并影響冷凝點(diǎn)處的相平衡溫度。冷凝的霧滴與壁面碰撞并附著于液膜。這些現(xiàn)象都直接影響壁面上的傳熱傳質(zhì)?？梢娺@是一個(gè)多參數(shù)高度互相關(guān)的復(fù)雜體系。其中有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),一是判明過(guò)飽和區(qū)域的范圍,二是指明過(guò)飽和區(qū)內(nèi)傳熱傳質(zhì)的協(xié)調(diào)機(jī)理。假設(shè),過(guò)飽和區(qū)域是受冷凝液膜表面的低溫影響而在毗鄰的氣相空間形成的霧狀冷凝區(qū),霧狀冷凝速率等于水汽從氣相主體進(jìn)入該區(qū)域的傳質(zhì)速率。并且提出采用分配系數(shù)α(0≤α≤1)表達(dá)霧狀冷凝的權(quán)重,α=1.0和0分別代表全霧狀冷凝或全膜狀冷凝,實(shí)際情況介于二者之間。1傳熱促進(jìn)劑r因?yàn)橐耗さ暮穸扰c流動(dòng)截面的幾何尺寸相比可以忽略,則研究的重點(diǎn)可集中于氣相主體流動(dòng)與冷凝發(fā)生區(qū)內(nèi)的濕份擴(kuò)散和冷凝傳質(zhì)。將冷凝推動(dòng)力表示為氣體真實(shí)濕度H與飽和濕度Hs之差,由柱坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,寫出柱坐標(biāo)下包含冷凝相變過(guò)程在內(nèi)的二維無(wú)因次湍流傳熱傳質(zhì)控制方程的通式:方程(1)的湍流擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)如表1。其中無(wú)因次變量為:r*=(r-rin)/rh,x*=x/L,u*=ρin·u·rh/μin,p*=p/[μ2inin2/(ρin·rh)],t*=(t-tw)/(tin-tw),k*=k/[μin/(ρin·rh)]2,ε*=ε/[μ3inin3/(ρ3inr4h)],ρ*=ρ/ρin,μ*=μ/μin,γ=rh/rin=κ-1,κ=rout/rin,A=L/rh(2)式中,特征值rh=rout-rin為當(dāng)量半徑;ρin、μin為混合氣進(jìn)口參數(shù)值;A、γ、κ為形狀系數(shù);L為計(jì)算傳熱長(zhǎng)度,m;t為溫度,K;μ為粘度,kg·m-1·s-1;ρ為密度,kg·m-3;ε為湍能耗散,m2·s-3。各方程的源項(xiàng)表示為Sc*=S*f=-ρ(1-f)·(H-Hs)/Δt·L2/μin(3)S?m,x=Sc??u?x,S?m,r=Sc??u?r,S?t=αβ?Sc?Sm,x*=Sc*?ux*,Sm,r*=Sc*?ur*,St*=αβ?Sc*(4)式中,β=cp(tin-tw)/rv,反映了傳熱推動(dòng)力的大小;Sc為Schmidtl數(shù);上標(biāo)“*”為無(wú)因次變量;下標(biāo)“in”為入口;“out”為出口。2流場(chǎng)模擬模擬構(gòu)建恒壁溫冷凝管管外雙組分(空氣與水蒸汽)混合氣體在豎直套管環(huán)形空間二維擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下的湍流相變流場(chǎng),對(duì)該流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置幾何特征相對(duì)應(yīng),形狀參數(shù)A、γ、κ的取值分別為375、1、2。2.1邊境條件1初始無(wú)因次化法u*x=u*in,u*r=0,t*=t*in=1(5)進(jìn)口速度uin,進(jìn)口溫度tin,水蒸氣質(zhì)量分率fin等作為初值給定,再定義無(wú)因次化。初值可根據(jù)工程實(shí)際選定,并無(wú)附加條件。因?yàn)樯袩o(wú)傳質(zhì)發(fā)生,所以該點(diǎn)處徑向速度為零。2x出口1p*=0(表壓)(6)其他變量的出口值由模擬結(jié)果唯一確定。3k、處理方法u(u?r,u?x)r?=1=0?(?t?/?r?)r?=1=0(7)(ur*,ux*)r*=1=0?(?t*/?r*)r*=1=0(7)近璧面k、ε處理采用Launder-Spalding方法。4r.0內(nèi)界面r.0和內(nèi)壁表面為溫暖(u?r,u?x)r?=1=0?t?ω=0(8)(ur*,ux*)r*=1=0?tω*=0(8)在數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)取不同的內(nèi)壁溫度。2.2網(wǎng)格劃分和輸運(yùn)方程離散方法選取分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)采用60×600((徑向×軸向),徑向網(wǎng)格非均勻劃分,在靠近邊界處采用密集網(wǎng)格分布;軸向網(wǎng)格劃分采用均勻布點(diǎn)。輸運(yùn)方程的離散方法采用控制容積法,壓力-速度耦合采用SIMPLEC方案。迭代精度取各輸運(yùn)標(biāo)量計(jì)算殘差達(dá)到10-5。3結(jié)果與討論3.1降低冷凝器傳熱強(qiáng)度α的大小反映了霧狀冷凝的權(quán)重。由模型可知,α越大,通過(guò)冷壁面?zhèn)鞒龅睦淠嘧儫嵩缴?氣相溫度和飽和濕含量均處于較高參數(shù)狀態(tài)。因此,霧狀冷凝方式降低了冷凝傳熱強(qiáng)度。α的取值經(jīng)過(guò)模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,如表2,確定α=0.2。3.2中氣膜內(nèi)蒸汽的分布圖2中分別給出氣相溫度分布和蒸汽濕份對(duì)應(yīng)的飽和溫度分布。如圖2所示,靠近冷壁面附近,氣相的溫度t*低于當(dāng)?shù)氐恼羝柡蜏囟萾s*,蒸汽處于過(guò)飽和態(tài),冷凝發(fā)生;離開冷壁面一定距離,t*則顯著高于ts*,不發(fā)生冷凝。在傳熱傳質(zhì)的協(xié)同作用下,t*與ts*均沿軸向下降,當(dāng)x*=0.8時(shí),氣相主體內(nèi)t*≈ts*,表明氣相主體內(nèi)蒸汽基本達(dá)到飽和。在徑向,ts*的分布相對(duì)于t*顯得較為平衡,表明濕份沿徑向的濕度梯度較小,擴(kuò)散傳質(zhì)推動(dòng)力小于傳熱推動(dòng)力。隨冷凝的進(jìn)行,氣相濕度H逐漸減少,冷璧面附近將形成一個(gè)不凝氣濃度相對(duì)較高的區(qū)域。為了討論的方便,將H-Hs大于零的區(qū)域稱為“氣膜”。氣膜外為氣相主體。氣相主體內(nèi)蒸汽處于不飽和態(tài),H-Hs<0,未達(dá)到冷凝發(fā)生條件。而氣膜內(nèi)蒸汽處于過(guò)飽和態(tài),H-Hs>0。因此,冷凝僅發(fā)生于氣膜層內(nèi)。圖3給出冷凝傳質(zhì)推動(dòng)力(H-Hs=0的位置,其代表了過(guò)飽和區(qū)與不飽和區(qū)的分界線,亦表征氣膜層的厚度。傳熱推動(dòng)力越大氣膜越厚,表明此時(shí)蒸汽相變減量越多。模擬條件下氣膜厚度最高達(dá)到整個(gè)流道寬度的13.5%。氣膜厚度從整體上表現(xiàn)為沿軸向逐漸增大,從而增大了霧狀冷凝發(fā)生的范圍,表明冷凝傳熱強(qiáng)度沿程下降。3.3蒸汽擴(kuò)散分析充分降低蒸汽含量是本研究期望解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一,相變減量的機(jī)理在于過(guò)飽和區(qū)內(nèi)傳熱傳質(zhì)的協(xié)調(diào)作用。如上述,冷凝僅在氣膜內(nèi)發(fā)生,隨著氣膜內(nèi)的濕度H因冷凝而消耗,氣相主體內(nèi)高濃度的蒸汽濕份擴(kuò)散至氣膜繼續(xù)冷凝。濕份由氣相主體向氣膜內(nèi)的擴(kuò)散速率與氣膜內(nèi)冷凝速率的相對(duì)大小將決定冷凝的進(jìn)程。定義冷凝速率Uc=S?f(9)Uc=Sf*(9)則冷凝時(shí)間尺度可表示為τc=Uc(ρ?u?xf)(10)τc=Uc(ρ*ux*f)(10)定義蒸汽組份擴(kuò)散速率Ud=??x?[(μ?Sc+μ?tSct)?f?x?]+A21γr?+1???r?[(γr?+1)(μ?Sc+μ?tSct)?f?r?](11)Ud=??x*[(μ*Sc+μt*Sct)?f?x*]+A21γr*+1???r*[(γr*+1)(μ*Sc+μt*Sct)?f?r*](11)相應(yīng)的蒸汽擴(kuò)散時(shí)間尺度可表示為τd=Ud/(ρ?u?xf)(12)τd=Ud/(ρ*ux*f)(12)圖4給出冷凝時(shí)間尺度與蒸汽擴(kuò)散時(shí)間尺度的比率τd/τc=Uc/Ud。如圖所示,本研究條件下氣膜層內(nèi)蒸汽擴(kuò)散尺度略大于冷凝時(shí)間時(shí)間尺度,其比值為1.2～1.1,沿軸向呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)闅饽?nèi)氣相整體處于過(guò)飽和態(tài),發(fā)生相變冷凝的濕份包含氣膜內(nèi)的原有濕份和氣相主體的擴(kuò)散濕份兩部分,所以在總體上表現(xiàn)為冷凝速率較大。而從傳遞速率上看,因擴(kuò)散而產(chǎn)生的蒸汽冷凝占總冷凝速率的83%以上,因此可以認(rèn)為氣膜內(nèi)擴(kuò)散速率與冷凝速率大體相當(dāng)。在氣膜與氣相主體交界附近出現(xiàn)一個(gè)波峰,指明兩時(shí)間尺度比率的最大值為2.4～1.5。在軸向上,隨著冷凝的進(jìn)行,蒸汽濕度不斷降低,冷凝速率與擴(kuò)散速率逐漸趨于一致。這客觀地反映了濕份的擴(kuò)散速率是整個(gè)相變傳遞過(guò)程的控制步驟。4大氣相對(duì)時(shí)流場(chǎng)模擬結(jié)果采用數(shù)值方法對(duì)磷酸二銨工藝尾氣冷凝相變減量進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:1)恒壁溫冷凝管外空氣與水蒸汽混合物在豎直套管環(huán)形空間二維擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下湍流相變流場(chǎng)數(shù)