（化学工艺专业论文）立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 摘要 本文对立体传质塔板c t s t 板上液相流场进行了三维数值模拟，使立体传质塔板板上 液相流动的研究从二维水平进入三维水平，为新型塔板的设计提供理论预测和依据。 本文通过对现有的几种模型进行分析，确定以目前较为通用的k 一双方程模型对 r e y n o l d s 方程进行封闭，从而建立描述塔板上液相流动的数学模型。针对c t s t 塔板操作 时的具体特点，完整地给出了模型方程求解时所需要的各种边界条件。 根据塔板上液相流场的数学模型，计算出不同工况下塔板上液相流速分布，分析并讨 沦了影响流场的各种因素。结果表明：堰高、流量和板孔气速对板上液相流场都有一定的 影响。在垂直于液层的方向，塔板进口附近的液相流速和塔壁附近的液相流速较小，在帽 罩底隙附近、帽罩正后侧和出口堰附近速度较大：在帽罩附近整体上表现出下层速度较大， 上层速度较小的趋势；靠近帽罩底隙的速度较大，远离帽罩底隙的速度较小：在出口附近， 帽罩后方和出口堰上沿处速度较大，其余呈环状依次减小。 本文采用热膜测速仪，在由1 0 0 0 m m 的冷模实验塔内对立体传质塔板c t s t 板上液相 流场进行了实验测定。实验结果表明：随着堰高的增加，帽罩单元附近的液枢速度与进入 塔板的液相速度的比值是增加的：随着流量的增加，帽罩单元附近的液相速度与进入塔板 的液相速度的比值减小，减小到一定程度屠有所回升，最终趋于平缓；随着气速的增加， 帽罩单元附近的液相速度与进入塔板的液相速度之间的比值是增大的。 通过实验测定和模拟结果相对比，发现两者所得的结论是相互一致的。实验结果表明， 该模型较好地反映了立体传质塔板板上液相流动的情况。 关键词：立体传质塔板，计算流体力学，三维数值模拟，液相流场，热膜测速仪 兰篁堡垒篁堡! ! ! ! 矍蜜竺堡堡坌童垒堡矍丝墼竺堡垒 t h r e ed i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no f l i q u i d f l o wf i e l do nc t s t a b s t r a c t t h el i q u i df l o wf i e l d so nc t s tw e r es i m u l a t e do nt h r e e d i m e n s i o n a lb a s i si nt h i sp a p e r , w h i c hd e e p e n e dt h er e s e a r c ho ff l o wf i e l d so i lc t s ta n dp r o v i d e di n f o r m a t i o nf o rd e s i g n i n g n e w s e p a r a t i n gp l a t e a f t e ra n a l y z i n gs e v e r a lm o d e l s ，k 一占e q u a t i o n sw e r ec h o s e nf o rc l o s i n gt h er e y n o l d s e q u a t i o n s i n t e g r a t e db o u n d a r yw a s 西v e n t od e s c r i b et h el i q u i df l o w t h el i q u i df l o wf i e l d sw e r ec a l c u l a t e df o rd i f f e r e n tc a s e sa c c o r d i n gt ot h ec o m p u t a t i o n a l m o d e lo nc t s t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ti nt h ep e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n ，t h ev e l o c i t yn e a ra n d b e h i n dt h ec a p sa n dt h ev e l o c i t yn e a rt h eo u t l e tw e i rw e r em o r et h a no t h e r s t h ev e l o c i t y d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h el i q u i dh e i g h t n e a rt h eo u t l e tw e i t , t h ev e l o c i t yo nt h et o po f t h eo u t l e tw e i rw a sm o r et h a no t h e r s t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h el i q u i df l o wf i e l d sw e r e a f f e c t e db yt h el i q u i df l u x ，w e i rh e i g h ta n dt h eg a sr a t e b yu s i n gh o t f i l ma n e m o m e t e r , t h el i q u i df l o wf i e l d so nc t s tw e r e m e a s u r e da n ds t u d i e d u n d e rd i f i e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n si nt h ee x p e r i m e n t a lc o l u m nw i t hi n s i d ed i a m e t e ro f10 0 0 n l l n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a t i oo ft h ev e l o c i t y l e a rc a p st ot h a to fe n t e r i n gi n t op l a t e i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fl i q u i df l u xa n dt h eg a sr a t e a n dd e c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n go f w e i rh e i g h t t h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n sa n dt h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h em o d e l c o u l dd e s c r i b et h el i q u i df l o wo nc t s tw e l l k e y w o r d s ：c t s t , c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n ， t h el i q u i df l o wf i e l d s ，h o tf i l ma n e m o m e t e r 河北工业大学硕士学位论文 d 塔径，m e 表面粗糙率 f 一气体阻力项 f o 板孔动能因子，m s ( k g m 3 ) o 5 g 湍流脉动动能生成项 g ，气体流动的脉动动能生成项 h 对流传热系数，w ( m 2 ) | l d 底隙高度，1 1 1 h 罩体底隙高度，m m 改板上清液层高度，m m b 。堰高，m m ，混台长度，m l 湍流特征长度，m j 。底隙长度，i n l h 液体流量，m 3 h l ；液体流量，r f l 3 s z 。堰长，i n l 。溢流强度，m s ( m s ) n 热膜流速仪输出电压，v n 。f 厂热膜流速仪冷却电压，v n u 努赛尔数 p 校正压强，p a p e 彼克列( p e c l e t ) 准数 q 液体绝对提升量，k g s r e 一雷诺数 符号说明 s 源相 t 时间( s ) 卜温度( ) “，“，时均速度，m s u j 。塔板进口速度，n t i s u 。厂塔板出口速度，m s u 十初始速度，m s 热膜流速仪冷却速度，m s y + 无因次近壁距离 z 一测试高度，m m 靠粘度，p a s v 运动粘度，m 2 s v 。有效粘性系数 ”湍流粘性系数 b 。偏航角 6 0 流体速度和探针轴夹角 p 流体密度，k g m 3 r 卡门常数 瓦罗克内尔符号 世湍动脉动总动能 e 湍流动能耗散率，m 2 s 2 河北工业大学颂十学位论文 h 吾 塔器作为汽一液和液一液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼油、石油化工、精细化工、 化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，涉及蒸( 精) 馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单元操 作。塔设备的性能对于整个装置和企业的生产能力、产品质量、消耗定额及三废、环保等方面均有重要 影响。塔设备通常分为板式塔和填料塔。板式塔结构较为简单易于放大，造价较低，对于常压和加压 物系，特别是大塔径、多侧线汽液传质设备，板式塔有较大的优势。因此，对板式塔的研究开发在塔器 技术中占有举足轻重的作用。 板式塔研究中的一个重要的课题就是板式塔的模拟计算，这一问题的难点和核心是板上浓度分布及 板效率的计算，这就涉及到对板上流体的流动分布、传热和传质进行模拟，建立较为准确的浓度场分布 模型。实验证明，塔扳上流场的分布直接决定着蒸馏的效率。为此，需要首先解决板上液相流动状态的 问题，建立基本符合实际的板上流场模型。这是预测塔板效率和设计、改进塔板结构的基础。 为了能从理论上描述塔板上液相的流动，人们做了大量的工作。其中有简单的经验模型，如p o r t e r 的两区模型；也有比较复杂的流体力学计算模型，如张敏卿的k s 塔板流场计算模型、袁希钢的两相 流双流体模型等。但迄今还没有一个人们普遍接受的，可以预测不同工况、不同塔板结构下流速分布的 塔板流场计算模型。其主要原因是塔板上汽液两相流动问题比较复杂。尽管人们做了大量的工作，提出 了一些流场计算模型，但对汽液两相的作用机理了解不够深入，因而无法提出更加合理的理论模型。 立体传质塔板c t s t 是河北工业大学于1 9 9 3 年研制开发的一种大通量高效喷射型塔板，已获国家 实用掰型专利。c t s t 自开发成功以来，在石化、维足纶、制药等行业得到广泛应用，迄今已成功推广 应用了1 0 0 0 多座塔。人们对立体传质塔板的流体力学性能和传质性能也已经做过不少研究。 本文的主要目的是在前人所做理论工作的基础上，深入分析塔板上汽液两相的作用机理，建立薪的 塔板流场的计算模型，以求能够从理论上预测不同工况、不同结构下的塔板上液相流速分布。 在实验方面，研究者对于精馏塔板上液相流速场的测定提出了很多方法。总体来看，主要分两类， 即直接法和间接法。由于受技术条件的限制，过去对塔板流场的测试多采用间接法。近年来，进行流体 力学实验研究的专家将一些新的测试技术用于流体流动参数的测量，热膜，热线测速仪就是其中一种。 本文实验部分就是采用热膜测速仪来直接测定塔板上不同点的流速。通过理论预测和实验结果的比较， 以验证本文的理论模型。 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 第一章文献综述 1 - 1 塔板上液相流速分布的意义 虽然精馏研究已经有较长的历史，学科发展已有相当的水平，但是从总体上看蒸馏过程设计仍处于 经验或半经验状态i lj ：一方面各种设计参数仍依靠经验关联和实验测量，外推困难；另一方面理论预测 的偏差仍然很大，难以应用于实际设计。因此，一般的设计安全系数都在1 2 - - 1 5 之间，甚至更大，导 致设备和能源的极大浪费。在能源日趋紧张、工业生产已越来越趋于大型化的今天，利用较为准确的蒸 馏设计模型设计节能型高效、大通量塔板成为本学科发展的强大推动力，而对蒸馏过程由半经验状态上 升到以理论预测为主则是此项设计的基础。 板上气液流动状况与板效率密切相关【2 】，早在1 9 7 2 年，p o r t e r 3 】和b e l l l 4 1 就分别提出了大型塔板上 液体流动的不均匀问题，他们发现在塔板两边的弓形区液体流动是很缓慢的。b e l l 4 在矩形流道中，假 定速度分布为如图1 1 ( a ) 所示的四种形式，对塔板效率进行计算，结果表明：速度分布越不均匀，塔板 效率降低越多，只有液体沿流道均匀流动时即4 线，效率最高，见图11 ( b ) 。 k o u r i 和s o h l 0 1 5 1 考虑了液体横向混合对板上液相速度分布进行了研究( 其流型结构如图12 所示) ， 发现横向液流的不均匀分布对板效率影响很大，特别是大直径塔板，并总结出横向流动的不均匀性在塔 板的出口处比入口处强烈。但该模型没有划分出滞流区和近壁处的返流区。实际上板上液体的不均匀流 动有多种形态，如矩形塔板上的不均匀线性分布，圆形塔板上的短路、沟流、返混和漩涡等，这些都对 板效率有不同程度的削弱。 图1 1 ( a ) b e l l 假定的速度分布 f i g 1 1 ( a ) a s s u m e dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nb yb e l l 图1 1 ( b ) 模拟计算结果 f i g 1 1 ( b ) c a l c u l a t e dr e s u l to fs i m u l a t i o n 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 第一章文献综述 1 1 塔板上液相流速分布的意义 虽然精馏研究已经有较长的历史，学科发展已有相当的水甲，但是从总体上看蒸馏过程设计仍处于 经验或半经验状态j ：一方面各种设计参数仍依靠经验关鞋和实验测量，外推困难；另一方面理论预测 的偏差仍然很大，难以应川于实际设计。因此，一般的设计安全系数都在i2 - 15 之间，甚至更大，导 致设备和能源的极大浪费。在能源日趋紧张、i l k 生产已越来越趋于大型化的今天，利川较为准确的蒸 馏设计模型设计节能型高效、大通量塔板成为本学科发展的强大推动力，而对蒸馏过程由半经验状态卜 升到以理论预测为主则是此项设计的基础。 板上气液流动状况与板效率密切相关口i ，早在1 9 7 2 年，p o r t e r 3 i 和b e l l 4 i 就分别提出了大型塔板上 液体流动的不均匀问题，他们发现在塔板两边的弓形区液体流动是很缓慢的。b e l l ”1 在矩形流道中，假 定速度分布为如图li ( a ) 所示的四种形式，对塔板效率进行计算，结果表明：速度分布越不均匀。塔板 效率降低越多，只有液体沿流道均匀流动时即4 线，效率最高，见图11 ( b ) k o u r l 和s o h l o t 5 l 考虑了液体横向掘合对板上液相速度分布进行了研究( 其流型结构如图12 所h i ) ， 发现横向液流的不均匀分布对板效率影响很大，特别是大直径塔板，并总结出横向流动的不均匀性在塔 板的出【= _ i 处比入口处强烈。但该模型没有划分出滞流区和近壁处的返流区。实际上板上液体的不均匀流 动有多种形态，如矩形塔板上的不均匀线性分布，圆形塔板上的短路、沟流、返混和漩涡等，这些都对 板效率有不同程度的削弱。 板效率有不同程度的削弱。 a 、忒 图1l ( a ) b e l l 假定的速度分布 f i gl1 ( a ) a s s u m e dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nb yb e l l 图1 1 ( b ) 模拟计算结果 f i g 1 1 ( b ) c a l c u l a t e dr e s u l to f s i m u l a t i o n 型! ! 三兰查兰堡圭兰堡兰圣 余国琮等”】对塔板上液体的非理想流动情况进 行了进一步的观察测试。他们采用多点的电导连续 测量系统，用脉冲一响应技术测得了单、双溢流实 验筛板上的液体停留时问分布，图1 3 是典型的单 溢流塔板上液体停留时间分布图，由图可见大型塔 板上存在着复杂的流动与分区( 分区情况如图i 4 所示) ： ( i ) 在进、出口堰之间矩形区域内的主流动区 i ，在此区内液体速度分布是不均匀的； ( 2 ) 在塔板两侧的弓形区内为液体缓慢流动区 i i 和返流区i l i 。 对于双溢流塔板，典型的液体停留时间分布如 图1 5 所示，从图可见，中央降液管塔板( b ) 上的液 体流动与单溢流塔板靠近进口堰一侧的流型相类似， 图1 2 塔板上一种发展的流型示意图 f i g 1 ，2t h es k e t c hm a po f ad e v e l o p i n gl i q u i df l o w p a t t e r no nad i s t i l l a t i o np l a t e 液体流动是银不均匀的。而边降液管塔板( a ) 的液体流动不均匀性则大为改善，近似于均匀的收缩流。 如上所述，大型塔板上液体流动的非均匀性对塔板的传质效率有更不利的影响。在滞流区或返流区内 图1 3 液体等平均停留时间分布( p e = 9 7 ) f i g1 3r e s i d e n c et i m ep r o f i l eo nah a l f - r ，l a t e 图1 4 单溢流板上的流动模型 f i g 1 4f l o wm o d e lo nc r o s sf l o wp l a t e 1 d 1 】l2 ( a )( b ) 图1 5 双溢流筛板停留时间分布图 f i g 1 5r e s i d e n c et i m ep r o f i l eo nad o u b l e p a s ss i e v ep l a t e 3 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 由i i 液体流动缓慢，造成停留时问很长，使液体很快与通过它的气相达到平衡。这样，通过滞流区或返 流区的气相基本上没有浓度变化，即传质过程进行缓慢，浪费了塔板的传质面积，从而大大降低了传质 效率。另一方面，降液管底部开口的收缩效应及塔板上液体的流动阻力，又形成了塔板上的液面梯度， 从而使得进入板上液层的气体分布不均匀，这同样也会降低塔板的传质效率。 近年来，为了消除气液流动的不均匀分布对塔板效率的影响，各种各样的导向塔板相继问世，如导 向筛板、条形浮阀、导向浮阎 7 1 、a d v 微型浮阀【8 1 等，也有的对降液管形式和进口堰进行改进以改善 板上液流状况，如南京大学的新9 5 型塔板吼对进口堰的改进主要是在进口堰附近安装导流板或把进 口堰改成边缘有缺口的进口堰，但并不是所有的塔板都有改进的必要。这主要和塔板结构与操作条件有 关系。这就需要设计者确定给定操作条件f 塔板上的流型及其对塔板效率的影响，从而决定是否需要改 变塔板结构以影响塔板上的速度分布。 立体传质塔板作为一种新近开发并具有良好工业应用价值的新型塔板来说，对其进行深入的理论研 究将具有重要意义：一方面，我们可以从理论的高度来认识、分析该新型液相分散型塔板具有优越性的 原因，可以为研究和开发其它新型塔板提供一定的理论依据：另一方蕊，也为该塔板自身的进一步改进 和完善提供坚实的依据，从而指导实践工作。 1 2 塔板上液相流速分布的研究进展 塔板上液相流速分布的早期理论研究是伴随板效率计算模型进行的。一般是根据相应的板效率计算 模型对液相流速分布进行一些假设，如表1 1 所示。近些年来，随着计算机软硬件的发展以及计算流体 力学理论和方法的不断发展完善，使用计算流体力学方法精确的模拟设备中流体的流动已经成为可能， 计算流体力学( c f d ) 模拟以其费用低、耗时短、容易改变参数、不受实际条件限制等特点引起了各方 面的重视，并在各行业如建筑、暖通、航天、化工、汽车等得到了广泛应用。大型计算流体力学商业软 件使在传统数学分析难于实现的复杂边界条件和复杂几何形状的处理方面的问题可以得到良好的解决。 在塔板效率计算上，国内外学者也作了大量的工作。 在考虑气相阻力作用的条件下，李建隆”1 推出了以下塔板流场计算模型： 警+ 盟一百a 2 d x + 瓦1 a y一去喏2 6 飞砂2 警d 、 舭 缸仇砘巩l4f ，、 一0 u + 盟：o 缸 却 d e o 5 a t h = = 0 0 0 3 7 8 + 0 0 1 7 1 u ，+ 3 6 8 l ；+ o 1 8 h ， 0 2 1 5 ( 2 5 0 b + 1 0 0 0 h ) 2 - u 一( 3 6 0 0 l 。) ( 1 0 0 0 h i ) 3 p ( 1 2 ) 该模型的优点是比较简单，仅有两个方程，两个未知数；缺点是推导时作了很多假设，使得模型与 实际情况相差较远，模型计算结果无回流区。 4 河j b 工业人学硕十学位论文 表1 1 塔板流动计算模型 t a b l e l 1c a l c u l a t e dm o d e lo f l i q u i df l o wo f tp l a t e 模型液相速度分布参考文献 一雏 液相流速均匀分布”：i a i c h e “】 模型 将塔板分为活动区与滞流区 p o r t e r 3 i 活动区，流速均匀分布“：； l o c k e t t 1 2 滞流区，“= 0 ”= j - ： ，= a 6 一w + d r ，a ，6 由实验确定 余国琮【1 3 1 彭= + 1 ) 6 一w 。d 7 】，一由实验确定 = g ( w ) “ g ( w ) = 1 2 0 0 一w 5 ) ( n n n g ! ) s o l h o 【1 4 1 g ( w ) = 15 ( 1 0 一w 2 ) ( 抛物线流型) b e l l l 4 1 g ( w ) = 2 1 4 + 14 7 w + 1 9 9 w 2 + 2 9 8 3 w 3 1 3 4 7 w 4 ( 有严重沟流时) “= g ( 计“ 二维 g ( w ) = 3 ( 1 一v s ) ( 1 一w ) 2 + v 。( 反抛物线型) 模型b e l l 15 l g ( w ) = 2 ( 1 一v 。) ( 1 一w ) + v ， ( 直线流型) 口( w ) = 1 5 ( 1 一v 。) ( 1 一w 2 ) + v ， ( 抛物线流型) = q ( z ，w ) - g t q ( z ，w ) = ( 1 一v ，) ，( 。+ v ； g ( w ) = 2 1 4 + 1 4 7 w + 1 9 9 w 2 + 2 9 8 3 w 3 1 3 4 7 w 4 其中v 。： i v j = 1 一= 2 k 0 u r j f 5 1 i i 叱= ( 1 - = ) 2 i i i ”。= ( 1 - 2 ：) 2 ，o z s o 5 v ，= 0 ，其它 2 0 一4 z ) 2 ，o z 蔓o ，2 5 v ，= 0 ，其它 借鉴李建隆处理气体作用项的方法，张敏卿1 1 0 提出考虑垂直气流阻力作用的k s 湍流模型，其 中包括连续性方程、动量方程及k 和的输运方程。 5 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 丝+ 塑：o 融 劫 动量方程： “a u 堕：一土 “，融+ “，。o y p 。塑+ u 盟：一! 叱iy i p 气体阻力项： ：一_ p g u s “，jj。j 兀= 一盟b “ oh l 7y ( 1 3 ) ( 14 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) k 的输运方程： “。瓦o k 坞面o k = 昙( 毒芸 + 砜a ( 盯v 。o 砂k j + g s s ， f 的输运方程： u t 盘g s + u ，c 砂3 s = 昙 芑喜 + 导 芑雾 + ( c 1 g - c z s ) k 。， 湍流脉动动能生成项： g ：，f 当+ 挈1 兰 ( 1 ，o ) i 苏j缸。j 舐j 方程中的有效粘性系数： v 。= v f + p ( 1 1 1 ) 湍流粘性系数： v 。= c 。k 2 s ( 1 1 2 ) 此模型计算了筛板上的液相流速分布，但是在有些t 况下未能计算出返流区，这与实际情况有差别。 该模型的主要贡献是在动量方程中加入了上升气泡阻力项。 王晓玲等利用混合两相流的理论，建立了塔板上汽液两相流动的混合模型。该模型将两相混合 物作为整体来考虑，而不是单独考虑两相，该模型的动量方程比张敏卿的单向湍流模型多了动能源相以 及由气泡浓度差引起的扩散应力项。此外，混合模型比单相模型增加了一个气相扩散方程。但是计算所 得流场不能再现实验中常见的回流区。 袁希钢等”l 从两相流双流体模型出发，在推导液相动量方程时考虑气体的阻力作用，首次建立了 筛孔塔板气液两相流动的二维双流体模型，计算结果较已有的单相流体模型有所改进。 疋 l 卜 + 、，厂、，。 甄一砂鸭一钞 k ，l， a一砂a一钞 + 、， 堕缸鸭百 ，p ，p ， 、， 、 a 一缸 a 一缸 + + 卯苏卯一砂 河北工业大学硕士学位论文 虽然袁希铡等利用两相流双流体理论郓王晓玲利用两相流混合物理论所得出的模型比较复杂，考虑 的因素比较多，但计算结果仍不理想。其主要原因是因为这两种理论本身都是在研究两相并流状态f 推 出的，而在描述塔板两相流动时，气相在垂直方向的运动对液体的影响比较大，而在水平方向的运动对 液体流动的影响相对来说很少，如何充分全面地研究汽液间相互作用的影响正是双模型的困难所在。 刘春u _ l ”1 建立了以k 一方程为基础，同时考虑气相阻力和鼓动作用的筛板液相流场计算模型。 其模型形式为： 连续性方程： 挈+ 竽：o ( 11 3 ) o x 砂 动量方程： d “ 咖一 “j i + “y 2 5 幽 砂 咖v咖v 虬i - - l , l y 苗。甜鲫 气体阻力项： 正：一辈虬 p 【n l l _ p 赢g u 5 “y k 的输运方程： o k + u ，o 砂k 飘oi 盯v 。, o 缸k ，) + 导匕等) 一占 s 的输运方程： “，瓦c 3 占+ “，万o s = 昙( 毒害 + 南 芑考) + 【c l 恃+ g ，) 一c ：声1 昙 湍流脉动动能生成项： g 毡睁a 钏u j i 础a u j 气体穿过液层而造成的脉动动能生成项 g r = 筹 方程中的有效粘性系数： v 。= v f + p ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 2 i ) ( 1 2 2 ) 7 疋 厶 + 、，j， 眠一砂鸭一砂 叱 叱 ，l， 旦砂。一砂 + 、j， 坠缸鸭i 叱 k ，l，。l a 一缸 a 一魂 + + 护一c毽驴一耖一p，一p 市体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 ( 12 3 ) 该模型与其他研究者所建立的模型的最大区别在于提出了鼓动生成项的概念，并根据实验结果确定 了模型中主要参数鼓动生成系数的值。运用该模型对塔板流场进行二维模拟计算，得到回流区，并 且回流区大小随气、液负荷的变化趋势与实验结果相符台。 在此基础上，刘伯潭”进一步研究了塔板上气泡和液体的相互作用，提出了较新的动能源相，并 运用流体力学软件( p h o e n i x ) 进行了单溢流和双溢流的流体计算，计算结果再现了实验过程中出现 的回流区，同时刘伯潭对于滞流区的影响因素进行了大量的研究计算，具有较高的理论价值。但他省略 了刘春江湍动方程和动能耗散方程中的源相。 p 陪地善 _ 一毒+ 毒h 等+ 善 l + 觑 z a ， s 一砘吼o o l - p o ) g d 万专( _ 虬列o 。心) 2 卅+ “； 咆如一几k 南专( _ ，厩丽 s m 砘吼h 一几k 西南专吨厩氆) 2 + “：+ “； k 的输运方程： “，芸芳鹄i o k = 矾o ( ”oa 苏k j + + u y o k导【旦o k 等j + 鲁 尝篆 g - “z 面百：i 2 _ l苏j + 面【一百j + 瓦【责瓦 8 8 s8 8 “x 瓦，面= 瓦2 湍流脉动动能生成项： g ：，丫塑+ 塑1 塑 l 缸j缸，j 缸 湍流粘性系数： v ，= c u k 2 i c 孤o ( v 删o e ) + 专匕讣鲁匕警 ( c 1 g 刊去z 。， ( 1 3 0 ) ( 1 3 1 ) 李瑞提出了筛板塔塔板上的双液层三维塔板物理模型，将塔板的液层分为两个主要区域：喷射 区和鼓泡区。在不同区中气相的分布形态不同，与实际塔板的汽液两相流动比较一致。万银坤等i 2 2 】也 曾应用计算流体力学方法对转盘塔内的流场进行过研究。 国外，塔板液相流场的理论研究工作进行的不多，y o s h i d a l 2 3 1 曾以涡量的形式建立了描述塔板上液 相流动的模型，但该模型未模拟出实验中常见的回流现象，只划分出主流区和滞流区，计算值没有与实 8 卿 嘲 柳 獬 n n n n 河北工业大学顺二 学位论文 验值剥比。 以上各种模型都是针刘筛板和浮阀塔板等液相连续型塔板提出的，板上液流状况与喷射犁塔板有蔫 较大的区别。相对来说，这类塔板的结构较为简单，所以液相速度场的边界条件也较为简单。王金戌对 喷射型( 液体分散型) 塔板的板上液相速度场进行过研究1 2 ，该喷射型塔板是喷射式并流塔板，帽罩 为圆形。对立体传质塔板来说，由于其帽罩单元的非轴对称性，板上的液相流动比圆形帽罩更为复杂， 故其速度分布也会有很大不同。王志英b ”曾利用k s 双方程湍流模型对雷诺方程封闭并给出边界条 件来描述c t s t 板上的液相流动。该模型能够较妊的反映c t s t 塔板上液体流动的情况。但是由于该湍 流模型是二维的，在建立模型时做了很多假设，模拟计算所采用的模型在边界条件的处理上较为简单。 1 3 塔板上液相流动的测试技术 参照一般流体流动的测量方法，研究者对于精馏塔板上液相流速场的测定提出了很多方法，总体来 看，主要分两类，即直接法和间接法，如表1 2 所示。 由于受技术条件的限制，过去对塔板流场的测试多采用间接法。对于单相流动，p o r t e r ”曾用染料 作示踪剂进行录像，观察测量流体流动方向和回流区的大小；对于两相流动，采用一种类似风标的小旗 来指示流动方向，对应于工业塔中的常压、减压、高压蒸馏三种操作情况，选取不同的汽液相流量， 表1 2 流体流动的测量方法 t h b l e1 2m e a s u r e m e n to f f l u i df l o w 方法分类及说明 精确测非接触测量激光多普勒测速 直 量法 接触测量热线热膜测速 接 测近似的直 示踪剂为液面漂浮物 摄像如乒乓球 量 接测量法 染料示踪剂 光学方法 层析摄影( c t ) 放射性方法 y 射线摄影 间接 差示辐射扫描 接触 光纤技术荧光染料示踪剂 光学方法 测测 比色分析染料示踪剂 量量示踪剂n a c l 电导分析 电化学方法 示踪剂n a n 0 3 电位分析 示踪剂n a c l 物理方法 以温度场代替浓度场测量温度 9 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研究 对各种塔板结构，观察了回流区出现的条件及其大小的变化。s o l a r i 等口”使用一种近似的直接法测定了 塔板上各点的平均速度，具体做法是在塔板某一截面上的几个点注入染料，然后对染色流体的流动过程 进行录像，通过记录流体流过的路径长度及所用的时间算出平均流速。l o c k e n 口”、余国琮1 6 】等曾用电导 分析的方法测量塔板上各点的平均速度。其具体做法是沿进口堰注入示踪剂，用电导分析的方法测定塔 板上各盐水的浓度随时间的变化，得出停留时间分布，进而反算出各点的平均速度。宋海华口”采用电 位分析法来确定塔板上各点的浓度变化。b e l l 4 1 和张泽廷使用荧光染料示踪剂，o g b o j a 3 q 使用染料示 踪剂，分别采用光纤技术和比色分析法测定了塔板上的液体流速场。以温度场代替速度场，p o r t e r 等1 3 2 i 和张敏卿【l ”对蒸馏塔板上空气一热水系统的温度场测量数据进行处理，得到塔板上的停留时间分布。 所有这些实验测量的是一种停留时间分布，它可以直观地反映塔板上液体不均匀流动的情况，但并不能 反映塔板上各点液流的实际速度，这样做显然会带来较大的误差。严格来讲，这不是- - t e e 流速分布。 对于直接方法，如激光分子测速技术和光学表面测压技术等尚不成熟，且价格昂贵，使用条件苛刻， 使得许多流体力学领域的测速方法的应用受到限制：对乒乓球或浮子进行摄影的方法则和前面的间接方 法一样，得到的是仅能反映流型的停留时间分布。王志英 2 s l 采用动态压力测量法，使用s 型皮托管配 以微差压差计来测量板上液体空间某点的速度。 近年来，进行流体力学实验研究的专家将一些新的测试技术用于流体流动参数的测量，热膜热线 测速仪就是其中一种。d e l h a y e 和g a l a u p ”1 ，a b e l 和r e s c h 3 4 l 等人在圆柱形流道中，用热膜测速仪对汽 液并流的两相流动与热膜探头的作用机制及两相信号的分离、处理过程进行了研究。l i u 和b a n k o 讲” 采用热膜测速仪和两针球形光纤探头相结合测定了垂直管道中空气一水鼓泡系统的平均速度、湍流参 数、气含率气泡速度及气泡大小分布。y b u n 矿研和l u t ”1 等人用热膜测速仪对空气搅拌反应釜中的汽液 两相错流流动进行了测量。同塔板上液相流动相似，这些流场也具有汽液速度相差不大的特点。刘富善 3 “、刘春江采用热膜测速仪分别测量了浮阀塔板和筛板塔板上液相速度场分布和气含率分布。王 金戌( “l 、李瑞【2 l j 应用热膜测速仪分别测量了喷射式并流填料塔板板上液相流场和蒸馏塔板上液相流场 分布。 1 - 4 本文工作 由前所述，板上液相流速分布和板效率密切相关，因此对板上液相流动的性能进行研究对板上气液 流动状况的理论研究、工业设计、塔板的结构优化及板效率研究都具有重要意义。 为了对立体传质塔板进行深入的研究和进一步的改进和完善，本文主要进行以下几个方面的工作： l 立体传质塔板板上液相流场的湍流模型 对c t s t 板上液相流动的过程进行分析，针对立体传质塔板操作时的具体特点，确定描述c t s t 板上液相流动的数学模型，为板上液相流动状况提供理论预测的依据。 2 立体传质塔板板上液相流场的计算 根据塔板流场的计算模型，计算不同工况下塔板液相流速分布。分析并讨论影响流场的各种因素。 3 立体传质塔板板上液相流场的实验研究 本文采用美国t s i 公司生产的i f a 3 0 0 型熟膜测速仪测定不同操作条件下的液相流场，对c t s t 板上液相速度分布进行测量与分析，并对所确定的模型进行验证和模型误差分析。 】0 河北工业大学硕士学位论文 第二章c t s t 塔板上液相流动的计算模型 c t s t 板上液相流动的过程是很复杂的。本章的主要内容是对c t s t 板e 液相流动的过程进行分析， 针对立体传质塔板操作时的具体特点，应用计算流体力学方法，确定描述c t s t 板上液相流动的数学模 型。对立体传质塔板进行数值模拟主要包括以下几个步骤：首先依据基本原理建立动量、质量、能量及 湍流特性的守恒方程组，构成基本控制方程；基本方程组往往不封闭，还需要借助实验或物理概念补充 附加关系式使之封闭；最后，选择适宜的数值求解方法对以上非线性、耦联的偏微分方程组进行求解。 2 - 1c t s t 塔板上液相流动的描述 c t s t 塔板在正常操作时，液体自受液盘经降液管下口冲向塔板，在塔板的入口附近经过一个流道 渐扩的区域后进入喷射罩的矩形通道内，液体在矩形通道内流动时，由于气体自板孔进入喷射罩后，在 塔板板孔处形成缩流，在板孔附近形成低压区，故矩形通道内的液体受罩体内外压差和板上液层高度静 压强的作用自罩体底隙进入罩内。此后，液相在罩内被上升气体提升拉膜并破碎成液滴，气液上升碰撞 分离板后折返并与上升的气液激烈碰撞，然后气体和液滴从罩体的侧面喷射板向斜上方喷出；在罩问， 喷出罩体的气体和液滴也激烈对喷；最后，气体绕过分离板上升至上层塔板，液滴则回落至板面流向下 游。由于气相经由升气孔和喷射罩上升，并不穿过板上液层，所以，塔板上的液体基本是清液层。同时， 板上液体的流动呈现出剧烈的湍动状态。 2 2c t s t 塔板上液相流场的计算模型 液体在塔板上的流动是三面有壁，一面是自由表面的属于明渠的情况。按照雷诺数分析，r e h l u p l , u ，当r e 大于5 0 0 7 0 0 时，就可以认为流动为湍流“。而塔板上的r e 通常大于4 8 0 0 ，因此 塔扳流动可以判断为湍流。 2 - 2 1 流体流动的数学描述 描述粘性流体运动的连续方程和n s 方程分别为： 辈+ 刀“= o (21)dt 、。 警丹古考卟2 “+ 如叫 旺：， 式中f _ 1 , 2 ，3 ，_ ，= 1 , 2 ，3 ，f ， 对于稳态流动的不可压缩流体，上二式可简化为： 立体传质捂板板上液相流场的三维模拟研究 当：o ( 23 ) 戗 。，兰：厂一! 皇+ ，竺 ( 2 。) mpo x 出 o x 。 湍流的特点就是流场中的速度、压力及其它物理量都随时间和空间发生随机性变化，极不规则。分 析湍流流动时要直接确定流场中各点的速度、压力等物理量的瞬时值是极其困难的。另一方面，从工程 技术的角度考虑，人们关心的是速度、压力等物理量的平均值。因而，采用统计平均的方法来确定，常 用的统计平均方法是时均化法4 ”。 雷诺将湍流场的各瞬时特征量表示为时均值与脉动值之和，即雷诺分解： 瞬时值= 时均值+ 脉动值 “= “j 十”j p = p + p 经时均化后的连续性方程和n s 方程变为： 堕：o 缸。 p 巧考+ 以筹= p z 一考+ 警 左侧第二张”：等 锄 又。：一= 0 戚 “豢= 砉瓦)i 瓠i瓠、。j 。 砉瓦) 叫等瓦译以j 叫i 于是得到：( 方便起见，以下用“，、“j 代替“、2 j ) “若= 弓詈协酱+ 下4 - p 画) 万l ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 28 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中一p u l u j 表示脉动引起的动量变化，称为湍流应力或雷诺应力，是二阶对称应力张量。 上述方程是不封闭的，它由四个方程组成，但却有十个未知数，即平均压力、三个平均速度分量 及六个雷诺应力分量。为了求解时均化方程组，必须找出足够的关系式，使方程组在数学上成为封闭的。 1 2 这就是所谓的湍流模型。这些模型基本上分为两类m i ：一类是基于湍流粘性假设的“有效粘性模型”， 类是直接建立雷诺应力微分方程的“雷诺应力模型” 2 - 2 2 “有效粘性”模型 j b o u s s i n e s q 于1 8 7 7 年提出的涡粘性理论至今仍是大多数湍流模型的基础假设，即雷诺应力可类比 于层流的粘性应力，写成与时均速度梯度成正比的形式： 一瓦叱( 考+ 鬻 - ；弛 仁切 式中l ，。称为涡流粘性系数或湍流粘性系数，占。为k r o n e c k e r 函数，k 为湍流脉动总动能： k ：昙瓦 ( 2 1 3 ) 1 1 。与分子粘度不同，它不是物性的系数，而是流体流动的属性。引入( 2 1 2 ) 式构成了湍流模型的基 础，将雷诺应力的问题化成了矿。的问题，现已提出许多计算y 。的湍流模型，主要有0 方程模型、1 方程模型 和2 方程模型。 1 0 方程模型 属于这类的代表性模型是普朗特( p r m n d t l ) 首创的混合长度模型。混合长度模型中湍流粘性系数v 。 用下式近似： 圹，2 俐 亿h 式中1 是混合长度。在实际计算时，f 必须预先给定，可是对予单纯边界层流，只根据几何学形状 比较容易确定，但对于二维性和三维性强的流动，混合长度模型就不太适用。 0 方程模型计算容易，只是对于近似于边界层这类比较简单的流动，往往才给出充分良好的结果。 但若用于解n s 方程或雷诺方程必须作出某些假设，要规定边界层位置及边界层外缘速度，这是不容 易做到的。另外作为该模型基础的混合长度概念未考虑湍动量的扩散输运与对流输运问题，对于较复杂 的流动也很难确定混合长的数值，所以其应用范围并不大。 2 1 方程模型 普朗特和科尔莫戈罗夫( k o l m o g o r o v ) 各自单独认为，湍流粘性系数可表示为： 屹2 ( 2 1 5 ) 式中：k 为湍流脉动总动能，l 为湍流特征长度，c 。为经验常数。通常，因l 可与混合匠度相等 所以若l 给定，根据k 对输运方程求解，就能求出匕。关于k 的方程则由n s 方程及雷诺分解导出 表示为： 1 3 立体传质塔板板上液相流场的三维模拟研冗 筹q 瓦o ki ( - 瓦) 菪毒( 蔬+ 幽j ) 一v a 抛x j 。夏饥- t c z 、 由上式可看出，湍流