工业废气冷凝脱湿的模拟研究

工业废气冷凝脱湿的模拟研究

尾气蒸蒸机理根据目前工业控制标准gb16297-1996的《全球污染物综合排放标准》，只限制了有毒有害物质的排放，而清洁生产规则必须限制总物质的排放和排放。例如，虽然蒸馏水是无害的，但如果它不能完全混合在含灰尘的废水中，就会形成新的沉降源。例如，当一个60万吨磷酸二铵（dap）工艺装置在上午将40多吨蒸汽混合到26万吨立方米的含尘土中排放时，会导致工厂和周围“磷铵雨”的污染。根据分析，是因为无论香烟中的耗水量过大，局部过大，因此会产生蒸汽的沉淀。在这方面，提出了一种将残余湿去除、稀释质量能量、浓度磷酸一铵（模型）的沼气循环利用技术，以取代单一能源。尾气凝雾现象与脱湿过程,都与高湿度废气的冷凝密切相关.含大量不凝气的蒸汽冷凝问题广泛存在于化工与热工领域.其机理较复杂,工程上通常采用经验方程或根据实验数据进行保守设计.数值模拟研究方面,主要是基于两相流质量、热量衡算和液相边界层或气液双边界层模型,在不考虑轴向扩散的假设下进行数值模拟.所作的假设为气相主体温度等于蒸汽分压所对应的饱和温度、蒸汽分子由气膜扩散至气液界面而冷凝、冷凝热由液膜传给冷壁面.但实际上工业废气往往不饱和,且动力学过程中气相温度和水蒸气浓度明显非均匀,兼之含尘,温度低于露点值的气相区域均可能发生雾状冷凝,例如上文指出DAP尾气形成“磷铵雨”的机理.因此掌握高湿度废气水蒸气冷凝的动力学特征是很必要的.本文指出高湿度废气在有限空间中雾状与膜状冷凝现象并存,提出了相应的模型表达并建立了数学模型,在适当的简化条件下进行数值模拟,得到了高湿度废气在冷表面上流动冷却过程中温度场、浓度场及冷凝状态参数分布.模拟结果得到了现场实验数据的验证.1相变流量对k-方程的影响含不凝气的蒸汽膜状冷凝假设冷凝潜热全部在液膜表面释放并通过液膜传递至冷壁面[图1(a)];而完全雾状冷凝则假设冷凝不是在传热表面上、而是在气相空间发生,并认为气相焓值不随冷凝发生而减少、而是以对流传热方式传递给冷壁面[图1(b)].实际上由于高湿度工业废气含大量尘粒自然形成的雾状冷凝核心,即使以膜状冷凝为主,在流动空间中任何过饱和区域也会发生雾状冷凝.单纯膜状冷凝不能表达高湿度废气在有限空间中雾状冷凝的机理,而单纯雾状冷凝又不能表达以表面冷却为主的冷凝机理.本研究提出采用分配系数α(0≤α≤1)表达雾状冷凝模式在冷凝过程中的权重,α=1.0为全雾状冷凝,α=0为全膜状冷凝,实际情况介于二者之间.针对膜状冷凝与雾状冷凝并存的工况,给出以下基本假设.①气相空间任何低于露点温度的位置均有雾状冷凝发生;②冷凝推动力表示为空间任意点处气体真实湿度H与饱和湿度Hs之差;③膜状冷凝的相变潜热传递给冷壁面;雾状冷凝的相变潜热仍持于气相;④冷凝雾滴与壁面碰撞并附着于冷壁面,形成液膜;⑤气相流动状况为湍流,采用标准k-ε模型描述,并忽略相变减量对k-ε方程的影响;⑥过程是拟稳态的.不失一般性,在如图2所示的柱坐标下写出包含冷凝相变过程在内的二维湍流传热传质控制方程的通式∂∂x(ρuxϕ)+1r∂∂r(rρurϕ)=∂∂x(Γϕ∂ϕ∂x)+1r∂∂r(rΓϕ∂ϕ∂r)+Sϕ∂∂x(ρuxϕ)+1r∂∂r(rρurϕ)=∂∂x(Γϕ∂ϕ∂x)+1r∂∂r(rΓϕ∂ϕ∂r)+Sϕ(1)式中Γϕ和Sϕ分别为与物理量ϕ对应的广义扩散系数和源项,具体意义如表1所示.其中μeff=μ+μt(2)μt=Cμρk2/ε(3)G=2μeff[(∂ur∂x)2+(∂ux∂r)2+(uxr)2+12(∂ur∂r+∂ux∂x)2](4)各方程的源项表示为Scon=Sf=-ρ(1-f)(H-Hs)/Δτ(5)Sm,x=Sconux,Sm,r=Sconur(6)Stem=αSconrv/cp(7)其中,α为分配系数,Δτ为流体在控制微元内的平均停留时间.Scon同时代表了单位容积蒸汽冷凝率.湍流模型参数的取值为:c1=1.44,c2=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3,Prt=1.0,Sct=0.7.水蒸气在空气中的扩散系数D=2.88×10-5m2·s-1,混合气密度按理想气体计算.引入量纲1变量r*=(r-ri)/rh,x*=x/L,u*=ρinurh/μin,p*=p/[μ2in/(ρinrh)],k*=k/[μin/(ρinrh)]2,ε*=ε/[μ3in/(ρ3inr4h)],t*=(t-tw)/(tin-tw),ρ*=ρ/ρin,μ*=μ/μin,γ=rh/ri=κ-1,κ=ro/ri,A=L/rh(8)其中,特征值rh=ro-ri;ρin,μin,fin为混合气进口参数值.方程(1)转化为A∂∂x*(ρ*u*xϕ)+A21γr*+1∂∂r*[ρ*(γr*+1)u*rϕ]=∂∂x*(Γ*ϕ∂ϕ∂x*)+A21γr*+1∂∂r*[(γr*+1)Γ*ϕ∂ϕ∂r*]+S*ϕ(9)式中Γ*ϕ和S*ϕ分别为与物理量ϕ对应的广义扩散系数和源项,具体意义如表2所示.G*=2μ*eff[(∂u*r∂x*)2+A2(∂u*x∂r*)2+A2(u*xγr*+1)2+12(A∂u*r∂r*+∂u*x∂x*)2](12)各方程的源项转化为S*con=SconL2/μin(13)S*f=S*con(14)S*m,x=S*conu*x,S*m,r=S*conu*r(15)S*tem=StemL2/[μin(tin-tw)]=αS*conrvcp(tin-tw)(16)令β=cp(tin-tw)rv,代入式(16),有S*tem=αβS*con(17)量纲1数β反映对流传热推动力的大小.2维湍流场模拟考虑到工业上最为普遍的冷凝设备大多以传热管为核心元件,由对称性,可将问题简化为二维.如图2所示,本文构建恒壁温冷凝管外双组分(空气与水蒸气)混合气体在环形空间二维拟稳态流动条件下的湍流相变流场,对该流场的温度分布、湿度分布、传热与传质推动力分布等进行数值模拟.2.1边境条件(1)初始参数设置u*x=u*in,u*r=0(18)t*=t*in=1(19)k*=32(u*inΙ)2,ε*=C3/4μk*3/2l/rh(20)其中湍流强度I采用经验公式:I≈0.16(Redh)-1/8,湍流尺度l=0.07dh,当量直径dh=2rh.入口处的uin,tin,I和水蒸气质量分率fin根据工程实际作为初值设定.(2)出口x.1p*=0(21)其他变量的出口值由模拟结果惟一确定.(3)外部边界r.1(∂t*∂r*)r*=1=0(22)(u*r,u*x)r*=1=0(23)(4)内部边界r.0的恒壁温度t*w=0(24)(5)壁面边界值的计算网格划分时,使最靠近冷壁面的网格点位于对数率区域(即y+>30),并采用Launder-Spalding提出的壁面函数方法对u,k,ε的壁面边界值进行模拟计算.其中,y+为基于壁面摩擦速度定义的壁面量纲1距离.2.2基本网络结构分布,1.网格节点采用60×600(径向×轴向),径向网格非均匀划分,在靠近边界处采用密集网格分布;轴向网格划分采用均匀布点.输运方程的离散方法采用控制容积法,压力-速度耦合采用SIMPLEC方案.迭代精度取各输运标量计算残差达到10-5.3模型装置及参数本文以DAP尾气冷凝脱湿的现场实验数据为基础,验证模型和数值模拟结果,使之与工程实际更为接近.现场实验装置如图3所示,其核心元件为ϕ32mm×3mm×6000mm的冷凝管.管内通过大量吸热介质循环维持恒壁温条件.高湿度DAP尾气在管外环形空间轴向流动,以内管恒温冷壁面为边界同时发生膜状冷凝和环形大空间中的雾状冷凝.环形空间外边界良好绝热.实验测定冷壁面温度和环形空间气相沿程温度,混合气体的质量通量,水分冷凝速率和湿度改变量等.由实验装置的几何参数,模型的形状参数A,γ,κ取值分别为375,1,2.3.1温度分布的模拟结果图4给出混合气温度分布.如图所示,雾状冷凝(α=1.0)时,温度梯度集中于冷壁面附近,气膜内的温差达到气相主体与冷壁面温差的70%,气相空间大部分区域温度梯度很小,显然传热和冷凝相变强度相应也小.对比之下,膜状冷凝(α=0)时,由于冷凝潜热通过冷壁面大量移出,整个气相空间温度下降更为迅速,轴向温度梯度明显,传热与冷凝效率也会更高.从温度分布的模拟结果可以进一步获得对流传热Nusselt数.根据定义Nu=dhh/λ(25)由傅里叶定律有qw=-λ(∂t∂r)w(26)利用对流传热系数h与对流传热通量qw的关系qw=-h(tw-tm)(27)式中tm为流体平均温度,其定义为tm=∫routrinρuxtrdr∫routrinρuxrdr(28)所以Νu=-dhtw-tm(∂t∂r)w=2t*m(∂t*∂r*)w(29)图5给出了Nusselt数沿轴向变化的模拟结果.雾状冷凝[图5(a),α=1.0]的Nusselt数显著高于膜状冷凝[图5(b),α=0],说明对流传热在雾状冷凝机理中的主导作用,而且还显示出了表征对流传热推动力的量纲1数β对雾状冷凝的影响要比对膜状冷凝显著得多.揭示出这一机理,对基于冷表面功能的工业废气冷凝器设计有重要的参考意义.当然实际情况会介于上述二者之间.3.2不同冷壁面的液凝反应.由于蒸汽的冷凝将使不凝气在冷壁面附近积聚,因此冷凝过程可以分为两步:浓度差推动蒸汽向冷壁面扩散;温度差推动蒸汽冷凝.如图6、图7所示,雾状冷凝(α=1.0)时,气相大空间湿度变化平缓且沿轴向几乎维持恒定,浓度梯度和传质推动力集中在冷壁面附近,表明该过程的控制步骤是冷壁面处的对流.膜状冷凝(α=0)时,由于冷凝潜热通过冷壁面大量移出而有利于冷凝的发生,使壁面附近水蒸气浓度显著下降并影响到气相主体浓度也迅速降低,表明壁面过程对气相空间状态的影响非常敏感.3.3气膜内冷凝器率分布从图7所示冷凝推动力分布,H-Hs大于零代表水蒸气过饱和,将发生冷凝;小于零则不饱和,因此不发生冷凝.将H-Hs大于零的区域称为“气膜”,气膜外为气相主体.值得注意的是,冷凝并不发生在蒸汽浓度相对较高的气相主体,而仅发生在蒸汽浓度较低的气膜内.结合图6～图8,这是因为气相主体的蒸汽浓度高但同时温度高、对应的饱和湿含量也高,因此处于不饱和态,冷凝速率为零;而气膜内虽然蒸汽浓度较低但温度低、饱和浓度也低,因此处于过饱和状态而发生冷凝.可见该过程的特征为整体不饱和,局部过饱和.计算条件下,冷壁面附近的相对湿度当α=1.0时达到140%,当α=0时更高达325%.气膜内的冷凝造成蒸汽分子不断向靠近冷壁面的气膜扩散.图8是雾状冷凝和膜状冷凝两种过程气相空间单位容积蒸汽冷凝率分布状态的模拟结果,可见其差别明显.表3给出按一组典型的现场实验条件进行的数值模拟及其与实验结果的对照.主要参数:进口混合气气速10.15m·s-1,温度353.15K,f为0.2278,露点温度344.15K.由表3和图9可见,采用雾状冷凝机理,模拟值低于实验值;采用膜状冷凝机理,模拟值高于实验值.α=0.2时,容积平均蒸汽冷凝率w的模拟数据与实验结果较符合.研究条件下湿份的相变减量达到34%～57%.将α=0.2时气相主体平均温度沿轴向的分布与实验数据进行对比,如图10,二者吻合也较好,验证了雾状冷凝和膜状冷凝共存的机理.4财政脱湿模拟结果本文对高湿度工业废气冷却冷凝湍流传热问题的模型研究和数值模拟及其与现场实验数据的对比表明:(1)高湿度工业废气冷却冷凝过程膜状冷凝和雾状冷凝机理并存,其权重可用分配系数α定量表达,数值模拟结果表明本研究现场实验条件下α≈0.2.α取值的普适性方法有待进一步研究.(2)恒壁温冷凝管外环形空间二维拟稳态湍流冷却冷凝的温度分布、湿度分布、传热与传质推动力分布的数值模拟表明,雾状冷凝时气相主体温度与湿度变化平缓且为不饱和状态,冷凝仅发生在紧邻冷壁面的气膜层内;而膜状冷凝通过冷壁面移出的热通量大为增加,由此影响到气相主体温度、湿度分布使雾状冷凝区域亦有所扩大,脱湿效果明显加强.(3)在现场实验DAP尾气脱湿率34%～57%的条件范围内,取α=0.2,容积冷凝率和气相平均温度沿轴向分布的模拟结果与传热传质实验数据相当吻合,为雾状冷凝和膜状冷凝共存的高湿度工业废气脱湿机理和数值模拟提供了一个成功的例证.符号说明A,γ,κ——形状系数cp——比定压热容,J·kg-1·K-1cμ,c1,c2,σk,σε——湍流模型常量D——分子扩散系数,m2·s-1f——质量比,kgH2O·(kg混合气)-1H——湿度,kgH2O·(kg不凝气)-1h——对流传热系数,W·m-2·K-1k——湍流能量,m2·s-2L——换热器长度,mmin——入口蒸汽质量通量,kg·m-3·s-1Pr——Prandtl数p——压力,Par,x——柱坐标变量rh——当量半径,mrv——冷凝潜热,J·kg-1Scon——质量源项Sf——单位容积蒸汽冷凝率,kg·(m-3·s-1)Sm,x,Sm,r——动量源项,kg·m·s-1·