规整填料塔液相流动的计算流体力学模拟

1、第55卷第8期2004年8月化工学报Journal of Chemical Industry and Engineering (China Vol 1558August 2004研究简报规整填料塔液相流动的计算流体力学模拟张鹏刘春江袁希钢余国琮(化学工程联合国家重点实验室(天津大学 、天津大学化学工程研究所, 天津300072关键词规整填料计算流体力学模拟中图分类号TQ 02811文献标识码A文章编号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.联系人:刘春江. 第一作者:张鹏, 男, 33岁, 博士, 现在吉林化工学院工作.基金项目:国家自然科学基金项目(No 120206021 和天津市自然科学基金项目(No 1023606711 共同资助.引言规整填料因具有诸多优异性能, 已在工业上广泛应用, 但是至今人们对规整填料内流体流动机理的研究还不是十分透彻, 从而限制了其进一步的发展和更新. 与散堆填料不同, 规整填料在结构上既有规整性又有复杂性, 属各向异性, 因此对

6、其内流体流动的研究具有一定的难度. 而现代计算流体力学(computational fluid dynamics , 简称CFD 的发展和计算机的快速更新换代, 使得用CFD 方法解决填料塔内的问题成为可能. 从事这方面研究较早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 .的有余国琮学科组1,他们曾以严格的Navier 2Stokes 方程(简称N 2S 方程 (或Reynolds 方程 及连续性方程为基础, 用较简化的边界条件对填料塔内带有传质(增湿、减湿 的气液两相流流动进行了模拟, 在求解速度分布的同时与传热和传质方程联解求出温度及浓度(湿度 分布. 1998年, Krishna 学科组24对规整填料反应床内的液相返 混进行了实验测定和CFD 模拟. 他们使用的填料为KA TAPA K 2S 规整填料. 实验为气液两相流, 为

8、便于CFD 计算, 引入了Toblerone 模型的概念, 使两相流问题简化为单相流来处理. 另外, 陈强5、王金戌6等也曾对板波纹规整填料层混合单元内流体的流动进行过数值模拟, 其研究对象为J CPT 塔板提升管上垂直放置且整齐排列在一起的一段规整填料中的一个混合单元, 气液两相在填料通道中的运动按拟均相处理. 他们采用三维有限差分技术, 运用N 2S 方程研究计算层流状态下强制流动流体在填料混合单元内的三维流场, 并给出了混合单元内两流道交界面处的三维流场图, 对交界面处流体的混合机理进行了分析. 最近, Szul 2czewka 、Zbicinski 和G orak 7利用其所建的CFD

9、 模型研究了Mellapak 250Y 规整填料内气液两相的相际接触面积随气液相流速、流体物性等的变化情况, 通过与实验数据对比表明用CFD 方法研究规整填料内流体的流动状况具有可行性和优越性.本文主要论述在直径为150mm 、高为mm 、填料为Mellapak 350Y .1模型的建立在计算流体力学理论中, 被广泛应用和认可的基本方程为质量守恒方程(连续性方程 和动量守恒方程(N 2S 方程 . 而这些基本方程是对连续介质而言的, 对于规整填料塔内流体的流动, 液相常为分散相, 因此, 建立描述填料塔内流体流动规律的流体力学模型就必须对非连续介质连续化. 作者通过引入表征体元的概念, 采用体

10、积平均的方法使非连续介质连续化, 建立了描述规整填料塔内气相速度为零时液相流动的计算流体力学模型. 详细的推导过程参见文献8, 其中体积平均的各方程如下.体积平均的连续性方程(l l u l =0(1体积平均的运动方程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 为弥散系数, 需由实验测得的返混系数进行求算8; F s l 为液固相间的相互作用力, 可采用下式计算9F s l =-2d 2e 2l -d e 5/4lu l (3体积平均的质量传递方程c t+ (l u l c -D AB 2(l c - (D l

11、 c =0(4以上建立的连续性方程、运动方程和质量传递方程可直接用于层流的计算. 对于湍流情况, 需对以上各式进行Reynolds 平均处理.2液相单相流速度场的模拟211模拟过程用PHOEN ICS 313软件模拟液相单相流速度场的步骤如下.(1 建立物理模型. 填料塔的塔壁为不锈钢, 塔直径为150mm , 塔高为1000mm , 填料为Mel 2lapak 350Y 规整填料. , 液相入口为塔, , . 各方向的网格数:x 方向(即填料片伸展方向 为30; y 方向(即与填料片垂直的方向 为30; z 方向(即轴向方向 为50.(3 确定边界条件. 入口边界主要确定流体的密度、进口流速

12、; 出口边界主要确定出口截面处的压力, 若出口处同时有流体流入, 还需给定流入流体的速度; 塔壁为无滑脱边界.(4 选择湍流模型. 根据填料内流体的表观流速及流体的物性确定选择层流模型还是湍流模型,对于湍流模型本文选用k 2双方程模型. (5 确定各求解变量的初值. 根据实验条件确定各变量的初值, 并根据计算的收敛情况不断调整.(6 确定有效涡流扩散系数. 在PHOEN ICS软件中, 可通过在运动方程的扩散项前乘以一个系数来改变涡流扩散系数的值. 在具体实现方法上可通过在Q1文件中使用PA TCH 和COVAL 语句. 对于规整填料, 因其各方向的扩散程度不同, 与填料片垂直方向的扩散系数是

13、沿填料片伸展方向的扩散系数的0101倍 , 因此在运动方程中, 若沿填料伸展方向的扩散项乘以系数c , 则与填料片垂直方向的扩散项就应乘以系数0101c . 另外, 填料在装填时, 通常相邻两盘间要成一定角度, 而本文模拟0731化工学报2004年8月的是相邻两盘填料的伸展方向成90°角, 这样每经过一盘填料, x 、y 方向的扩散系数就要互换.(7 加入相间相互作用力项. 液固相间相互作用力F s l 可视为源项.(8 确定数值方法. 确定计算的迭代步骤、收敛精度、变量的限定区间, 并根据收敛速度调节松弛因子. 212模拟结果下面以压力为017MPa 、液相流量为500L h -1

14、的一组实验为例阐述液相单相流的模拟结果. 由实验数据8求得此条件下液相在填料缝隙间的有效流速为010714m s -1, 返混系数为010046m 2s -1, 液相相含率为0117. 此条件下的模拟结果如下面各图所示.图1为填料塔内压力场的模拟结果, 图中显示的为y =75mm 处的x z 剖面的动力压力分布, 从液相入口到出口压力逐渐降低, 这主要是由于液体在填料塔内流过时受到固体填料和塔壁面摩擦阻力作用的结果. 可见, 对于350Y 型规整填料, 当水以500L h -1的流量流过1m , 的动力压力降为1146kPa. 的模拟结果, =z 剖面图. 由图可见, , x 、y 方向的速度

15、分量很小. 这是因为本文建立的模型是体积平均模型, 模型中各变量都具有体积平均的意义, 即为表征体元内的相平均值, 这样, 对于液相速度而言, 在表征体元内x 正方向的速度和x 负方向的速度数值基本相等, 方向相反, 结果使体积平均后的u x 数值很小, 而与填料片垂直的y 方向的速度本来就很小, 体积平均后使u y 值更小. 模拟结果表明u x 、u y 的数量级在10-6m s -1左右, 近似为零, 这也说明本文建立的模型还不能精确地描述填料塔内径向速度的分布情况. 而z 方向速度u z 作为主流速度, 其值与流体的有效流速基本相等, u z 沿轴向方向变化也不大, 只是在入口段速度稍有

16、下降. u z 沿x 、y 方向的分布示于图3, 该图分别给出了液相入口和液相出口处xy 剖面的液相轴向速度分布. 由图可见, 在液相入口处轴向速度沿径向变化较大, 从中心向壁面逐渐变小, 而在液相出口处轴向速度沿径向基本不变化, 显然近壁处的模拟结果不是很精确, 这主要是由于近壁处的网格划分得不够十分细的缘故 .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、相单相流浓度场的模拟311模拟过程本文采用示踪剂法研究填料塔内流体的流动情况. 示踪剂的加入认为对流场没有影响, 这样, 示1731第55卷第8期张鹏等: 规整填料塔液相流动的计算流体力学模拟踪剂和流体可使用同一速度场, 而通常示踪剂与流体的物性也非常接近, 因此, 模拟仍然认为在单相流条件下进行. 模拟方法是在速度场模拟的基础上增加如下一些过程.(1 模拟变为非稳态过程. 为获得某一轴向位置处示踪剂浓度的停留时间分布曲线以计算此处的轴向返混系数, 浓度场的模拟应是一非稳态的过程. 对于速度场而言, 通常比较容易达到稳态, 一般经过23个时间迭代步骤就基本不再变化. 本文计算中选用的时间步长为

18、015s , 迭代步骤为80步, 即40s.(2 在液相入口端面中心处增加示踪剂入口. 模拟时先进行速度场的计算, 当速度场稳定后再开始加入示踪剂, 示踪剂采取脉冲注入方式. 本文示踪剂的注入时刻为115s , 注入时间为015s.(3 确定有效传质扩散系数. PHOEN ICS 软件中, 传质系数的引入是通过Schmidt 数实现的.(4 确定浓度初值、松弛因子及每个时间步长内的迭代步骤, 来提高收敛的速度和精度. 312模拟结果与速度场的模拟一样, MPa 、h 图4为不同时刻在x z 剖面上示踪剂的浓度分布. 由图可见, 示踪剂刚开始加入时, 因规整填料沿不同方向的返混系数不同, 示踪剂

19、的扩散速度也不同, 沿轴向的扩散速度比沿与填料片垂直方向的扩散速度大. 因相邻两盘填料垂直摆放, 图中x 轴在不同填料盘位置代表的方向不同. 从上数第1盘填料, x 方向代表与填料片垂直的方向, 因此从115s 时刻的浓度场图可见, 示踪剂沿y 、z 方向的扩散速度远高于x 方向的; 第 2盘填料, x 方向代表填料片的伸展方向, 如215s 时刻的浓度场图所示, 此时x 、z 方向的扩散速度远高于y 方向的; 以此类推. 经过3盘左右的填料后, 示踪剂已被填料均匀分布, 其浓度沿径向已基本没有变化. 由图也可看出, 示踪剂在随着流体不断的流动和扩散中其最高浓度值在不断下降, 其所在的位置也在

20、不断向下游移动. 根据示踪剂浓度场的模拟结果, 即可绘出某一轴向位置处示踪剂浓度的响应曲线 , 据此便可反算出相应位置处的轴向返混系数. 图5为不同液相喷淋密度时测试段长度为1m 时的液相单相流轴向返混系数的模拟值与实验值8的比较, 它们的偏差在318%3618%之间, 图中也显示液相轴向返混系数随液相喷淋密度的增大而增大, 这主要是由于液速的增大使相间相互作用力增大导致的.Fig 14Profile of liquid tracer concentration in xzcross 2section at different time stepsFig 15Variation of D e

21、, l with l4结论采用体积平均的方法建立了规整填料塔内液相单相流的体积平均连续性方程、运动方程和质量传2731化工学报2004年8月递方程, 并用PHOEN ICS 313软件对速度场和浓度场进行了模拟, 给出了不同剖面的压力分布图、速度分布图和不同时刻x z 剖面的示踪剂浓度分布图. 模拟结果能反映规整填料内液体的流动情况, 但在近壁处的模拟结果因受网格数目的限制而不是很精确. 还根据模拟的示踪剂浓度分布对液相单相流的轴向返混系数进行了反算, 所得的结果与实验值的偏差小于37%.符号说明c 浓度, kg kg -1D AB 分子扩散系数, m 2s -1D e , l 液相轴向返混系

22、数, m 2s -1D 弥散系数, m 2s -1d e 填料的等效直径, m F s , l 液固相间相互作用力, Pa l 液相喷淋密度, m 3m -2h -1p 压力, Pa t 时间, s u 速度, m s-1u l 液相速度, m s-1x , y , z Cartesian l l s 运动黏度, m 2s -1l 液体密度, 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