烟气脱硫过程中固液两相流流场数值模拟

烟气脱硫过程中固液两相流流场数值模拟

近年来，计算流量控制（cpd）的发展为优化设计带来了革命性的变化。利用CFD技术对搅拌槽进行数值模拟,不受试验设备、试验规模、试验成本及试验周期的束缚。固液搅拌是工业搅拌中比较常见的一种操作,相比于均相液体搅拌要复杂的多［１－４］。烟气脱硫过程中,吸收塔、事故浆液箱、石灰石浆液箱等都装载石膏浆液(主要成分为CaSO４·2H２O、CaSO３·1/2H２O、CaCO３、Ca(OH)２、MgCO３、SiO２等),浆液箱多采用顶进式搅拌器。顶进式搅拌器的作用主要是将固、液混合均匀,防止固体沉淀。因浆液箱、浆液池内配有浆液泵,若浆液浓度过高,对泵磨损增大,影响其使用寿命,故对浆液箱内固液悬浮要求较高。在固液悬浮混合均匀的同时,节能降耗是必需的,因此对浆液箱的结构进行优化非常重要。采用CFD软件对某公司提供的烟气脱硫浆液箱的模型及工况参数进行数值模拟,分别从搅拌器类型和挡板数两方面对浆液箱的结构进行优化。对不同桨型的流场和搅拌功率进行对比分析,确定最佳工况;同时研究了挡板的设置对搅拌槽内流场的影响。1几何模型和模拟方法1.1器体离底、桨叶直径及转速n计算模型以事故浆液箱(用于在吸收塔事故或检修状态下储存或倒换浆液)为例,结构如图1所示。搅拌槽为平底,直径d=13m,液位高h=11.8m,搅拌器离底高度l=2.4m。槽内均匀分布6块挡板。介质为石膏浆液,浆液密度为1.211×10３kg/m３,黏度10μPa·s,固体颗粒密度为2.32×10３kg/m３,固体质量分数为30%,颗粒直径为50μm。桨叶直径D=0.3d=3.9m,叶梢宽度约为桨直径的20%。转速n=20r/min。网格划分采用非结构化四面体网格,对搅拌轴、叶片等区域进行网格加密处理,网格总数约为53万,如图2所示。1.2桨叶旋转轴位置的控制设液相为连续相,固体颗粒为分散相,计算中假设固、液两相间无质量交换［５］。采用多重参考(MRF)［６］处理运动的桨叶和静止的槽壁之间的相互作用,在包含桨叶的圆柱形区域内采用旋转坐标系,其他区域采用固定坐标系处理旋转区域和静止区域的关系。采用标准κ-ε模型,标准压力-速度耦合采用SEMPLE算法,一阶迎风差分格式,计算残差设定为1×10－３。监测速度和搅拌轴扭矩,且当所检测变量恒定时认为计算收敛。2结果与分析搅拌槽内的流场分布受多种因素影响。模拟中,采用单独改变一种因素的方法分析各个因素对流场结构和功率消耗的影响。2.1不同桨型条件下流场对比选取斜桨式、三窄叶旋桨式和三折叶开启涡轮式(折叶角θ=24°)3种不同形式的桨叶,结构如图3所示,分别考察其在搅拌槽中的流场。斜桨式和三折叶开启涡轮式都属于轴向流型桨。旋桨式是以2~3只推进式搅拌部件为主的一种搅拌器,在搅拌时有较高的旋转速度,能迫使物料沿轴向运动,使物料充分循环和混合。轴向流搅拌器常用于固液悬浮操作［７］。图4为斜桨式(a)、三窄叶旋桨式(b)和三折叶开启涡轮式(c)下模拟的同一标尺下的流场。由图4看出:其他条件相同时,3种桨型的流场基本相同,都是在桨叶外侧部分形成一个明显的涡流,并且沿轴向方向的速度比较大;流体从桨叶处向下流动,到达底面处向壁面流动,然后经壁面向上流动,从而形成一个在桨叶外侧的涡流,带动流体流动,带给流体更多的湍动能,使底部流体流动更剧烈。从图4看出,c的作用范围比a和b的大,引起的湍动能也较a和b的强烈。为了进一步分析流场中的速度分布及不同桨型对流场的影响,在稳定流场中,绘制在改变桨型条件下整个搅拌槽在γ=0.25d处Z轴方向上的速度分布,结果如图5所示。由图5可知:在γ=0.25d处,3种桨型的速度分布差别不是很大;沿底部向上的速度先增大后减小,直到液面处为零;在离底1m左右速度达到最大值,说明该处流体有漩涡存在,由槽体下部形成的大循环流动引起。图5中a的合速度的最大值较b和c的大,b的最小;a的速度整体上较大,尤其在液面附近,b和c的速度在离底一段距离后已趋于零,而a的合速度直到到达液面处才趋于零。单从速度大小来说,a的速度较b和c的大。b和c的速度分布基本相似,但是b中液面区域速度较早趋于零,且速度整体上最小,混合效果最差。2.2搅拌槽内流体流动状态变化数值模拟的验证搅拌功率P=2πnM=Mω,M为扭矩,ω为角速度。通过数值模拟可得到搅拌器的扭矩,进而求得功率大小。搅拌功率的理论计算公式为功率准数Nｐ［８］与雷诺数有关。计算结果见表1。由表1可知,模拟值比理论计算值偏小,这是由于所计算的模型是经过简化而来所造成的。数值模拟采用的模型为理想模型,搅拌槽内流体的流动状态假设各向同性,而实际中搅拌槽内流体的流动状态为各向异性。对于三窄叶旋桨式搅拌桨,由于为新型搅拌桨,功率准数尚无成熟计算公式,根据相似原理,在强湍流、且有挡板情况下,功率准数几乎是一定值［９］,而三窄叶旋桨式搅拌桨的搅拌效果类似于三叶推进式,故按三叶推进式功率准数计算。总的来看,数值模拟所得到的功率还是比较准确的,斜桨式和三折叶开启涡轮式的数值模拟值与理论计算值的误差在15%以内。由表1可以看出斜桨式桨叶功率消耗最大,三窄叶旋桨式功率消耗最小,三折叶开启涡轮桨功耗居中。结合流场和功率,三折叶开启涡轮式桨较其他两种桨型更适合。2.3规则动态的体积分数分布对于低黏度介质,挡板的作用是使槽内流体在搅拌器搅拌作用下,消除搅拌槽中央的“圆柱状回转区”,并能产生上下翻腾的流动,改变流动状态。挡板的设置对混合效果影响很大。挡板数nｂ为0、3、6,均为均匀分布,挡板宽度wｂ=1.2m,挡板数nｂ=6时为全挡板。图6为三折叶开启涡轮桨在不同挡板数下不同轴向位置监测面上的固体平均体积分数分布。从图6看出:在轴向高度小于7m时,固体平均体积分数基本为30%,说明挡板在该区域对监测面上的固体平均体积分数影响不大。在轴向高度大于7m后,挡板对固体平均体积分数分布影响显著:无挡板时,监测面上固体平均体积分数迅速减小,而3挡板和6挡板下固体平均体积分数仅稍有减少,说明在该工况下,应该设置挡板来使上层区域的固、液悬浮更均匀;轴向高度大于10m以后,3挡板时固体平均体积分数下降的较6挡板时快,并且在液面附近,3挡板时固体平均体积分数远远小于6挡板时,而6挡板时固体平均体积分数下降仅3%左右,说明该工况下应当设置全挡板,这与文献中对挡板的设置相验证。2.4折叶开启动力学模型将搅拌槽内网格节点加密,特别是叶轮区域,总网格节点数量约为82万个,用标准κ-ε模型,计算相同条件下的三折叶开启涡轮桨(θ=24°)模型,计算得到的功率准数NＰ=0.330。原网格节点数约为53万个,计算所得到的功率准数NＰ=0.327,两者相差不大。所以,原网格数量已经足够大,再增加网格数量对功率准数和功率的计算结果影响不大,反而会增加计算时间。3桨型叶开启动力学装置利用CFD软件对顶进式搅拌槽内流场特性及功率进行数值