二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟

1、第36卷第12期 2008年12月化 学 工 程 CHEMICALENGINEERING(CHINA)Vo.l36No.12Dec.2008二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟宋庆唐,吴桂英,金家琪,卢建军,张 锴1,21131(1.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京 102249;2.上海惠生化工工程有限公司北京设计中心,北京 100102;3.太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室,山西太原 030024)摘要:采用高速摄像法测量了0.20m0.02m2.00m拟二维床内气泡尺寸分布和流型等变化规律,结果表明,随着表观气速的增大,鼓泡床内依次呈现均匀鼓泡区、过渡区和

2、湍动区3种形式,以气泡个数概率表示的气泡尺寸分布呈对数正态分布。以计算流体力学软件ANSYSCFX10.0为平台,采用k2E湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为展开了数值模拟,其结果与实验值比较吻合。研究表明,从多相流理论出发的计算流体力学模拟方法可以用来预报鼓泡床内流型过渡等流体动力学特性。关键词:鼓泡床;流型;气泡尺寸分布;含气体积分数;CFD模拟中图分类号:TQ018 文献标识码:A 文章编号:100529954(2008)1220029204Experimentandnumericalsimulationofgas2liquidhydrodynamicsinatwo

3、2dimensionalgas2liquidbubblecolumnSONGQing2tang,WUGui2ying,JINJia2qi,LUJian2jun,ZHANGKai1,21131(1.StatesKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.BeijingDesignCenter,Wison(Shanghai)ChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100102,China;3.KeyLaboratoryofCoal

4、ScienceandTechnologyoftheMinistryofEducationandShanxiProvince,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,ShanxiProvince,China)Abstract:Flowregimepatternandbubblesizedistributioninatwo2dimensionalbubblecolumn(0.20m0.02m2.00m)wereinvestigatedbycombiningexperimentandsimulation.Theeffectsofgasinletvelo

5、cityonflowregimepatternandbubblesizedistributionweremeasuredbyhigh2speeddigitalcamera.Theresultsshowthatthereexistdispersedbubble,transitionalandcoalescedbubbleflowregimepatterns,andthedistributionsofthebubblesizecanbedescribedbythelognormaldistributionfunction.Accordingtotwo2fluidmode,lfluiddynamic

6、sweresimulatedbyusingcommercialsoftpackageANSYSCFX10.0withk2EturbulencemodelandGRACEdragmode.lThenumericalresultsareinfairagreementwiththeexperimentaldata,whichindicatesthatthenumericalsimulationofcalculationfluiddynamics(CFD)canbeusedtopredicthydrodynamiccharacteristicsandtoprovideusefulinformation

7、fordesigningandscaling2upgas2liquidbubblecolumns.Keywords:bubblecolumn;flowregimepattern;bubblesizedistribution;gasvolumefraction;CFDsimulation 鼓泡床具有结构简单、传递效率高和操作简单等优点已被广泛应用于化工及其相关过程领域。虽然许多学者已对其内流动特性开展了大量实验研究,但是由于多相流体系流动的复杂性使得他们结果有所差异。随着数值计算方法和计算机软硬件技术的快速发展,计算流体力学(CFD)方法已广泛用于气液鼓泡床内流体力学特性的研究1布器的二维鼓泡床

8、内流型、气泡尺寸分布等流动特征,旨在为鼓泡反应器的放大和设计提供相关的基础理论依据。1 实验部分将光源放置在有机玻璃制成的长0.20m、宽0.02m和高2.00m的矩形鼓泡床前侧方,调整摄像头焦距,然后将床中加入高度为1.2m的自来水,空。为此,本文拟采用实验和数值模拟相结合的方法分析单孔分基金项目:国家重点基础研究发展规划(2005CB221205);国家自然科学基金资助项目(20676147),女,硕士,;,E2mai:kaizhang。#30#化学工程 2008年第36卷第12期气从压缩机进入缓冲罐经气体流量计计量后,由床层底部进入,见图1。气体分布器为孔径1.2mm的单孔板,气泡上升过

9、程的动态图像由DH2HV3102型高速摄像头拍摄,其高度分别位于距分布器0.100,0.475,0.775m处。实验在常温常压下操作,流量计入口压力稳定在表压0.2MPa左右。kLLtL,s=CLQLEL(8)模型参数分别为:CE1=1.45,CE2=1.9,CL=0.09,D.0和D.3。气泡引起的附加湍流黏k=1E=1度LtL,b由Sato和Sadatomi模型力和湍动扩散力24得到。用于封闭方程组(1)和(2)的相间作用力项Fg,L只需考虑曳,即Fg,L=FD+FTD模拟时选用GRACE曳力模型65(9),湍流扩散力(10)采用LopezdeBertodano推荐的模型,即FTD,L=-

10、FTD,g=-CTDQALkLL其中:CTD取0.3。2.2 求解条件和计算方法为了探索壁面和中心射流对流场的影响,采用非图1 实验装置示意图Fig.1 Schematicdiagramofexperimentalapparatus均匀分布的结构化网格体系对其进行了加密处理。即:水平方向上在靠近壁面和中心处的第1个网格分别设为0.5mm和0.2mm,然后按1.2比例依次增大;垂直方向上采用5mm的均匀网格,故总网格数为82240=19680。初始条件根据实验设定液体高度为1.2m。边界条件分别为:在入口处,气相采用速度入口边界条件,其值和实验条件相同;在出口处,气体采用Degassing边界条

11、件;在左右壁面处,气体为自由滑移边界,而液体为无滑移边界。数值模拟过程中采用迎风差分格式,数值求解采用ANSYSCFX10.0提供的全隐式算法52 数值模拟部分2.1 数学模型在一冷态的气液鼓泡床内,描述二相流动双流体模型的质量和动量守恒方程(i=g,L)分别为9AiQi+#(AiQ(1)iui)=09t9AiQiui+#(AiQpc+#iuiui)=-Ai9tAui+(ui)?Fg,L+A(2)iLef,fiiQig式(2)的右边依次为压力项、扩散项、相间作用力项和重力项。对于气相为/+0而液相为/-0。模拟时,气相按层流处理,液相采用标准的k2E模2)3型。其中,pc为修正压力,对于液相为

12、22pc=p+Lef,fL#uL+Q(3)LkL33Lef,fL=LL+L,tL(4)LtL=LtL,s+LtL,b(5)其中液相剪切引起的湍流黏度LtL,s由标准的k2E湍流模型获得,湍流动能k及其耗散率E的方程为9(ALQLkL)+#(ALQLuLkL)=9t#LL+LtLDkkL+ALpL-ALQLEL#(6)。模拟时曳力系数CD需要由气7泡直径db来确定,采用Pfleger等直径看作单一气泡直径来处理,即d32=的建议,将气泡EENNdii=1i=132id(11)式中:d32为气泡Sauter平均直径。3 结果及讨论3.1 流型鼓泡床内流型反映了反应器内流动和相间传递特性。将高速摄像

13、法所得的流型特征图像进行分析发现:在低气速时,因为表面张力起主导作用,气泡直径较小,其形状近似球形,气泡基本上沿直线稳定上升,为均匀鼓泡区;随着气速的增大,由于表面张力和气泡周围液体的惯性力的作用,气泡开始聚并或破碎,气泡群呈明显的S型曲线上升,床层进入过渡区;气速进一步增大,气泡破碎或聚并加剧,床层波动更加激烈,此时大直径气泡从床中心呈S型曲9(ALQLEL)+#(ALQLuLEL)=9tALLL+LtLDEEL+ALEL(CE1pL-CE2QLEL)kL宋庆唐等 二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟#31#现向下运动特征,说明床层进入湍动区。3.2 气泡尺寸分布图2给出了不同孔口气速下的

14、以气泡个数概率密度函数(PDF)表示的气泡尺寸分布图。当气速较低时,气泡直径较小,且分布较窄。随着孔口气速的增加,由于液相湍能耗散率的增大,使得气泡破碎几率增大,小气泡的相对比例有所增加;同时由于含气体积分数增加使气泡碰撞几率增大,部分碰撞的气泡引起聚并,产生更大直径的气泡,最终导致气泡尺寸分布变宽。但是该分布仍然与对数正态分布规律基本吻合,这与Lage和Esposito的实验结果相一致。由式(11)获得的气泡Sauter平均直径d32就是模拟过程中的气泡直径db。8气后气泡受来自液体的阻力较大,含气体积分数在顶端呈锚式形状分布,随着时间推移,含气体积分数分布明显变宽。在气速较小时图3(a)或

15、(b),气体主要集中在床层中心,分别计算10s或15s后基本稳定;随着气速的增大图3(c),气体分布范围变宽,在计算10s后达到S型的动态稳定摆动趋势。同时,孔口气速增大,摆动周期减小而摆动幅度却增大。此模拟结果与前面实验观测以及Buwa和Ranade的结果相一致。同时分布器上部靠近壁面均存在一部分死区,气速较低时死区范围较大,随着气速的增大死区范围逐渐减小。9图2 不同孔口气速下气泡尺寸分布图Fig.2 Bubblesizedistributionsunderdifferentgasinletvelocities图3 不同孔口气速下床层内瞬态含气体积分数分布云图Fig.3 Gasholdup

16、distributionsunderdifferentgasinletvelocities3.3 含气体积分数分布图3是孔口气速分别为2.695,5.390,17.613m/s下模拟的床内含气体积分数瞬态云图。开始进3.4 气液二相运动规律图4为瞬态模拟达到稳定后某时刻的气液相速度矢量场,进而总结图5所示的不同孔口气速下气#32#化学工程 2008年第36卷第12期泡和液体流动规律。在低气速下为均匀鼓泡流型,气泡向上近似为直线运动,而液相则从中间上升沿壁面下降,在分布器上方改变方向后与喷嘴上部区域的液体汇合后一起再向上运动,形成了典型的环流模式;中等气速下,分布器上部区域气泡群发生摆动,并在局

17、部处形成小漩涡,随后又继续向上作直线运动,而液相在分布器上部区域也随之摆动,且形成漩涡,随后从中间上升沿边壁处下降,形成2个大的涡,说明进入过渡区,这与Delnoij等模拟结果相一致;高气速下,气泡群沿S型曲线上升,由大气泡破碎产生的小气泡、在其上升曲线周围形成小漩涡及近壁面处向下运动,此时液体也随之呈伴有小漩涡的S型曲线从中间上升,此时流型处于湍动区,该结果与文献9)10相一致。10拍摄的气泡尺寸分布呈现对数正态分布规律,由此计算得到的气泡Sauter平均直径可以用作模拟计算的气泡直径。低气速时,气体主要集中在床层中心,气泡向上做直线运动,而液相则从中间上升,沿壁面下降,形成典型的环流模式,

18、流动处于均匀鼓泡区;气速增大,分布器上部区域气泡群发生摆动,并在局部处形成小的漩涡,随后又继续向上作直线运动,而液相在分布器上部区域也随着发生摆动,且形成漩涡,随后从中间上升,沿边壁处下降,形成2个大的涡,说明进入了过渡区;高气速时,气泡群沿S型曲线上升,由大气泡破碎产生的小气泡或在大气泡群上升曲线周围形成小漩涡或在壁面附近区向下运动,且气泡群的摆动呈随机特征,孔口气速越大,摆动周期越小,摆动幅度越大,流动处于湍动区。这些结果表明采用基于多相流理论的CFD模拟方法可以用来预报流型过渡等鼓泡床内宏观流动特性,为该类反应器的设计和放大提供理论基础。符号说明:CTD 湍流扩散系数d32 气泡Saut

19、er平均直径,mdb 气泡直径,mdi 第i个气泡的直径,mFD 相间曳力,NFg,L 相间作用力,NFTD 湍流扩散力,Nk 湍动能p 压力,Papc 修正压力,Paug,in 孔口气速,m/sui 气相或液相的速度,m/st 时间,sAi 气相或液相的体积分数E 耗散率Q 密度,kg/m3Lef,fL 液相的有效黏度,Pa#sLL 液相层流黏度,Pa#sLtL 液相湍流黏度,Pa#sLtL,b 气泡引起的湍流黏度,Pa#sLtL,s 液相剪切引起的湍流黏度,Pa#s4 结论采用实验和数值模拟相结合的方法考察了二维矩形鼓泡床内空气2水体系的流型过渡、气泡尺寸分下标g 气相L 液相#62#化学

20、工程 2008年第36卷第12期为100mg/L时,原料液浓缩15倍,膜通量衰减2+15.0%,浓缩液及渗透液Hg质量浓度分别为1499.6,0.03mg/L,渗透液出水水质良好。参考文献:1 PETROVS,NENOVV.Removalandrecoveryofcooperfromwastewaterbyacomplexation2ultrafiltrationprocessJ.Desalination,2004,162(123):2012209.2 JARVISNV,WAGENERJM.Mechanisticstudiesof图10 体积浓缩因子对膜通量和截留系数的影响Fig.10 Eff

21、ectofvolumeconcentrationfactoronmembranefluxandrejectioncoefficientmetalionbindingtowater2solublepolymersusingpotenti2ometryJ.Talanta,1995,42(2):2192226.3 STRATHMANH.SelectiveremovalofheavymetalsionsfromaqueoussolutionbydiafiltrationofmacromolecularcomplexesJ.1152.SepSciTechno,l1980,15(4):113523 结论(

22、1)在保持pH值恒定及PAASS过剩的前提2+下,PAASS与Hg络合行为可用拟一级速率方程描述,络合反应达到平衡时间为25min。当负载比LR2+低于某一值时,Hg截留系数R等于1,反之R随LR增大呈线性下降,pH=5时每mgPAASS络合容量为1.0mg。2+(2)pH值显著影响Hg截留行为,R随pH值减少而下降,选取pH=5及LR=1有利于截留2+2-Hg。当SO4和Cl浓度增大时,R有不同程度降低,但通过增大pH值可获得高截留效果,当LR=1及存在较高浓度盐时,选取pH=6为宜。酒石酸钠2+和三乙醇胺不影响Hg截留行为。2+(3)当pH=5,PAASS及Hg初始质量浓度均4 ALIAN

23、EA,BOUNATIRON,CHERIFAT,eta.lRemovalofchromiumfromaqueoussolutionbycomplexation2ultrafil2trationusingawater2solublemacroligandJ.WaterRe2search,2001,35(9):232022326.5 LLORENSJ,PUJOLAM,SABATEJ.Separationofcadmiumfromaqueousstreamsbypolymerenhancedul2trafiltration:atwophasemodelforcomplexationbindingJ.J

24、MembrSc,i2004,239(2):1732181.6 JUANGRS,CHIOUCH.Ultrafiltrationrejectionofdissolvedionsusingvariousweaklybasicwater2solublepolymersJ.JMembrSc,i2000,177(1/2):2072214.7 国家环境保护总局5水和废水监测分析方法6编委会.水和废水监测分析方法M.4版.北京:中国环境科学出版社,2002:2652266.=上接第32页>参考文献:1 宋庆唐.气液鼓泡床内流动特性的实验与数值模拟D.北京:中国石油大学,2007.2 KRISHNAR,U

25、RSANUMI,vanBatenJM,7eta.ltriangularductM.Troy,NewYork:RensselaerPolytechnicInstitute,1991.PFLEGERD,GOMESS,GILBERTN,eta.lHydrodynamicsimulationoflaboratoryscalebubblecolumnsfundamentalstudiesoftheEulerian2EulerianmodelingapproachJ.ChemEngSc,i1999,54(21):509125099.8 LAGEPLC,ESPOSITORO.Expermientaldeterminationofbubblesizedistributioninbubblec