磷酸二铵尾气脱湿过程的雾状与膜状冷凝机制

磷酸二铵尾气脱湿过程的雾状与膜状冷凝机制

采用废水处理技术，废水含量达到0.604kg（ho）/kg（海洋）。直接排放不仅浪费了能源，还污染了环境。利用相变减少排放物质量并回收相变能,一举两得。其关键问题之一是尾气中的蒸汽冷凝,现有理论研究一般基于膜状冷凝假设,并视气相为水蒸汽所饱和。事实上磷铵高湿分工艺尾气极易出现局部过饱和并以夹带的大量气溶胶微粒为核诱发雾化和凝聚。本研究提出基于壁面冷却的膜状冷凝与雾状冷凝并存的机制。如图1所示,膜状冷凝依附于冷壁面发生,相变潜热直接传递给冷壁面;雾状冷凝则发生在气相空间的过饱和区域,相变潜热保留在气相并影响冷凝点处的相平衡温度。冷凝的雾滴与壁面碰撞并附着于液膜。这些现象都直接影响壁面上的传热传质。可见这是一个多参数高度互相关的复杂体系。其中有两个关键点,一是判明过饱和区域的范围,二是指明过饱和区内传热传质的协调机理。假设,过饱和区域是受冷凝液膜表面的低温影响而在毗邻的气相空间形成的雾状冷凝区,雾状冷凝速率等于水汽从气相主体进入该区域的传质速率。并且提出采用分配系数α(0≤α≤1)表达雾状冷凝的权重,α=1.0和0分别代表全雾状冷凝或全膜状冷凝,实际情况介于二者之间。1传热促进剂r因为液膜的厚度与流动截面的几何尺寸相比可以忽略,则研究的重点可集中于气相主体流动与冷凝发生区内的湿份扩散和冷凝传质。将冷凝推动力表示为气体真实湿度H与饱和湿度Hs之差,由柱坐标下的稳态标准k-ε模型,写出柱坐标下包含冷凝相变过程在内的二维无因次湍流传热传质控制方程的通式:方程(1)的湍流扩散项和源项如表1。其中无因次变量为: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为当量半径;ρin、μin为混合气进口参数值;A、γ、κ为形状系数;L为计算传热长度,m;t为温度,K;μ为粘度,kg·m-1·s-1;ρ为密度,kg·m-3;ε为湍能耗散,m2·s-3。各方程的源项表示为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,反映了传热推动力的大小;Sc为Schmidtl数;上标“*”为无因次变量;下标“in”为入口;“out”为出口。2流场模拟模拟构建恒壁温冷凝管管外双组分(空气与水蒸汽)混合气体在竖直套管环形空间二维拟稳态流动条件下的湍流相变流场,对该流场进行数值模拟。与现场实验装置几何特征相对应,形状参数A、γ、κ的取值分别为375、1、2。2.1边境条件1初始无因次化法u*x=u*in,u*r=0,t*=t*in=1(5)进口速度uin,进口温度tin,水蒸气质量分率fin等作为初值给定,再定义无因次化。初值可根据工程实际选定,并无附加条件。因为尚无传质发生,所以该点处径向速度为零。2x出口1p*=0(表压)(6)其他变量的出口值由模拟结果唯一确定。3k、处理方法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处理采用Launder-Spalding方法。4r.0内界面r.0和内壁表面为温暖(u∗r,u∗x)r∗=1=0‚t∗ω=0(8)(ur*,ux*)r*=1=0‚tω*=0(8)在数据计算时取不同的内壁温度。2.2网格划分和输运方程离散方法选取分网格节点采用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结果与讨论3.1降低冷凝器传热强度α的大小反映了雾状冷凝的权重。由模型可知,α越大,通过冷壁面传出的冷凝相变热越少,气相温度和饱和湿含量均处于较高参数状态。因此,雾状冷凝方式降低了冷凝传热强度。α的取值经过模拟数据与试验数据对比,如表2,确定α=0.2。3.2中气膜内蒸汽的分布图2中分别给出气相温度分布和蒸汽湿份对应的饱和温度分布。如图2所示,靠近冷壁面附近,气相的温度t*低于当地的蒸汽饱和温度ts*,蒸汽处于过饱和态,冷凝发生;离开冷壁面一定距离,t*则显著高于ts*,不发生冷凝。在传热传质的协同作用下,t*与ts*均沿轴向下降,当x*=0.8时,气相主体内t*≈ts*,表明气相主体内蒸汽基本达到饱和。在径向,ts*的分布相对于t*显得较为平衡,表明湿份沿径向的湿度梯度较小,扩散传质推动力小于传热推动力。随冷凝的进行,气相湿度H逐渐减少,冷璧面附近将形成一个不凝气浓度相对较高的区域。为了讨论的方便,将H-Hs大于零的区域称为“气膜”。气膜外为气相主体。气相主体内蒸汽处于不饱和态,H-Hs<0,未达到冷凝发生条件。而气膜内蒸汽处于过饱和态,H-Hs>0。因此,冷凝仅发生于气膜层内。图3给出冷凝传质推动力(H-Hs=0的位置,其代表了过饱和区与不饱和区的分界线,亦表征气膜层的厚度。传热推动力越大气膜越厚,表明此时蒸汽相变减量越多。模拟条件下气膜厚度最高达到整个流道宽度的13.5%。气膜厚度从整体上表现为沿轴向逐渐增大,从而增大了雾状冷凝发生的范围,表明冷凝传热强度沿程下降。3.3蒸汽扩散分析充分降低蒸汽含量是本研究期望解决的关键问题之一,相变减量的机理在于过饱和区内传热传质的协调作用。如上述,冷凝仅在气膜内发生,随着气膜内的湿度H因冷凝而消耗,气相主体内高浓度的蒸汽湿份扩散至气膜继续冷凝。湿份由气相主体向气膜内的扩散速率与气膜内冷凝速率的相对大小将决定冷凝的进程。定义冷凝速率Uc=S∗f(9)Uc=Sf*(9)则冷凝时间尺度可表示为τc=Uc(ρ∗u∗xf)(10)τc=Uc(ρ*ux*f)(10)定义蒸汽组份扩散速率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)相应的蒸汽扩散时间尺度可表示为τd=Ud/(ρ∗u∗xf)(12)τd=Ud/(ρ*ux*f)(12)图4给出冷凝时间尺度与蒸汽扩散时间尺度的比率τd/τc=Uc/Ud。如图所示,本研究条件下气膜层内蒸汽扩散尺度略大于冷凝时间时间尺度,其比值为1.2～1.1,沿轴向呈下降趋势。这是因为气膜内气相整体处于过饱和态,发生相变冷凝的湿份包含气膜内的原有湿份和气相主体的扩散湿份两部分,所以在总体上表现为冷凝速率较大。而从传递速率上看,因扩散而产生的蒸汽冷凝占总冷凝速率的83%以上,因此可以认为气膜内扩散速率与冷凝速率大体相当。在气膜与气相主体交界附近出现一个波峰,指明两时间尺度比率的最大值为2.4～1.5。在轴向上,随着冷凝的进行,蒸汽湿度不断降低,冷凝速率与扩散速率逐渐趋于一致。这客观地反映了湿份的扩散速率是整个相变传递过程的控制步骤。4大气相对时流场模拟结果采用数值方法对磷酸二铵工艺尾气冷凝相变减量进行了研究,结果表明:1)恒壁温冷凝管外空气与水蒸汽混合物在竖直套管环形空间二维拟稳态流动条件下湍流相变流场数