（化学工程专业论文）焦炉煤气脱硫吸收塔内两相流场计算流体力学数值模拟.pdf

中文摘要 在水利、热能等工业工程学科中，多相流是一种非常重要的流动现象，在反应、 吸收等化工单元操作中也常常出现，占有重要的地位。对于一些简单的流动情况， 可通过目前的经验或半经验关联式进行预测。但对于大多数化工过程，这些关系 式并不能呈现出整体流动效果。 本文以商业化软件f l u e n t 作为计算平台，将计算流体力学( c f d ) 与两相 流流动结合起来预测复杂吸收塔内的两相流动情况。 首先，利用c f d 技术对全塔内的单相流体流动及两相流动情况进行模拟。计 算是在三维体系中展开，在满足收敛以及质量守恒条件后，得到了稳态条件下的 全塔单相流场，并引入欧拉多相模型和多孔介质模型，对单相流含填料流场和两 相流场进行了计算，根据计算结果对吸收塔的上升管、进气管等结构进行优化改 进。 根据前面提出的改进建议对吸收塔模型进行优化，并将全塔割分为上下两段， 分别重新建立计算模型。并在全塔结果的基础上，对半塔中的单相流无填料状态 进行了四种网格尺寸下的计算。为平衡计算效率和计算精度，根据湍流强度、湍 流耗散率等流场参数，确定了全塔的网格尺寸，进一步在该网格下计算得到单相 流场( 无填料状态和含填料状态) 及两相流流场。计算结果表明，对全塔的割分 可以消除两段塔在迭代未收敛时的互相干扰，并且在工作站计算能力有限的条件 下有效提高计算效率。在此基础上，考察了上段塔中气速对塔内流动情况的影响， 结果表明，当塔内气速高于液泛点时，气液两相速度差加剧，湍流过于强烈，不 利于两相间混合和传质。 由于本文中计算对象尚无实验数据可供对照，因此，本文在最后部分对之前所 确定的网格进行了独立性验证，比较了下段塔的两种网格数目( 2 6 8 万和半塔2 5 9 万) 下的单相流场和两相流场。由两次的预测结果比较可知，之前所确定的网格 具有很好的独立性，已达到求解多相流所需的精度，无需进行加密处理。 关键字：计算流体力学多相流模型脱硫吸收塔欧拉模型 a bs t r a c t i n h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ， t h e 衄a l e n e i g y ， a n do t h e re n g i n e e r i n gd i s c i p li n e s ， m u l t i p h a s ef l o wi sav e 拶i m p o r t a n tp h e n o m e n o n s od o e si ns o m eu n i to p e r a t i o n so f c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，s u c ha sr e a c t i o n ，a b s o r p t i o na n ds of o r t h s o m es i m p l en o w c o n d i t i o n sc a nb ep r e d i c t e db y c u r r e n t e m p i r i c a l o r s e m i - e m p i r i c a l r e l e v a n t f o m u l a t i o n s ，b u tm o s tc h e m i c a lp r o c e s s e sc a n n o tb e ，s i n c et h e s ef o 咖u l a t i o n sc a nn o t s h o wt h eo v e r a l lf l o w a g e t h i sp a p e ru s e dac o m m e r c i a lc o ( 1 ef l u e n tt oc o m b i n et h ec o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) a n dt h et w o - p h a s ef l o w ，i n o r d e rt op r e d i c tt h ec o m p l e xn o w a g e c o n d i t i o no ft w o - p h a s ef l o wi na b s o r p t i o nt o w e r f i r s t ，t h e3 dg e o m e t r i cm o d e lo ft h ed e s u l f u r i z i n gt o w e rc o n s t r u c t e da sa ne n t i r e m o d e lt 0s i m u l a t es i n g l e - p h a s ea n dt w o - p h a s en o w b a s e do nt h ec o n v e r g e n tr e s u l to f s i n g l e p h a s ef l o ww i t h o u tp a c k i n g ，e u l e rm u l t i p h a s em o d e la n dp o r o u sm e d i u mm o d e l w e r ea d d e dt os i m u l a t es i n g l e - p h a s ef l o w w i t hp a c k i n gb e da n d 觚。一p h a s ef l o w a c c o r d i n gt os o m ep r o b l e m ss h o w e db yt h ef l o wc o n d i t i o n sa b o v e ，t h es n - u c t u r eo f t h e r i s e ri nt h eu p p e rl a y e ra n dt h eg a s - i n l e ti nt h e1 0 w e rl a y e rw e t er e f o n n e da n di m p r o v e d c o n s i d e r i n gt h er e c o m m e n d a t i o n sa b o u to p t i m i z i n gi nf o m l e rc h a p t e r t h i sp a p e r d j v i d e dt h ee n t i r et o w e ri n t ot w os e c t i o n s ，n a m e l yt h eu p p e rt o w e ra n dt h el o w e ro n e ，t o r e e s t a b l i s hm o d e l ，a n dc a l c u l a t e dt h es i n g l e p h a s ef l o wo fs e m i - u p p e 卜t o w e rw i t h o u t p a c k i n ga tf o u r1 e v e l s o ft h e 矿i dd i v i s i o ns c a l e a c c o r d i n gt ot u r b u l e n c ei m e n s i 谚， t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t ea n do t h e rf l o wp a r a m e t e r so ft h ef o 肿e rr e s u l t s ，t h eg r i ds i z e w a sd e t e m l i n e dt ob a l a n c ee 币c i e n c ya n da c c u r a c y ，t h e nt h es i n g l e p h a s ef l o w ( n o p a c k i n ga n dw i t hp a c k i n g ) a n dt w o - p h a s en o w w e r ec a l c u l a t e d ，t o o t h er e s u l t ss h o w t h a t ，t h ed i v i s i o no fw h 0 1 et o w e re a 、e c t i v e l ye h m i n a t e dt h ei n t e e r e n c eb e t v v e e ne a c h o t h e r ，a n dr e m a r k a b l yi m p r o v e dc o m p u t a t i o ne m c i e n c y b a s e do nt h er e s u l t s ，t h eg a s v e l o c i t i e si nu p p e 卜t o w e rw e r ee s t i m a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h eg a s v e l o c i 妙w a sh i g h e rt h a nt h ef l o o d i n gp o i n t ，t h et u r b u l e n c ew o u l db et o os t r o n ga n dg o a g a i n s tt h em i x i n ga n dm a s st r a n s f e rb e 帆e e nt w op h a s e s t h e r ei sn oe x p e r i m e n t a l 亡l a t aa v a i l a b l et oc o m p a r ew i t ht h ec a l c u l a t i o no ft h i s t a r g e t ，s ot h el a s tp a r to ft h i sp a p e rv a l i d a t e dt h eg “di n d e p e n d e n c et h r o u g hc o m p a r i n g t h es i n g l e p h a s ea n dt w o p h a s ef l o wu n d e rt w ol e v e l so fg r i dd i v i s i o no fl o w e rt o w e r i l i w i t hd i h e r e n tn u m b e r ( 2 6 8 ，o o oa n d2 5 9 ，0 0 0i ns e m i t o w e r ) t h ef o r e c a s tr e s u l t ss h o w t h a t ，t h eg r i dd e t e n l l i n e di nc h a p t e r5h a sag o o di n d e p e n d e n c e ，s oi tm e tt h ea c c u r a c y r e q u i r e m e n tf o rc a l c u l a t i n gm u l t i - p h a s ef l o w ，a n dt h e r e sn on e e dt or e f i n et h em e s h k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，m u l t i p h a s em o d e l ，d e s u l f u r i z i n g a b s o 叩t i o nt o w e r ，e u l e rm o d e l j v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毒l 詹签字日期：。? 年月互日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 参f 臀 导师签名： 签字日期：0 7 叼宕年月j 日签字日期：够咖绛咖 第一章前言 1 1 研究背景、目标及意义 第一章前言 我国有丰富的煤炭资源，煤炭产量和消费量均居世界首位。在石油消费量和 进口量不断增加的形势下，大力发展煤化工技术是保证我国能源安全及化学工业 持续发展的一项重要而紧迫的任务。 煤的气化在煤化工中占有重要的地位，用于生产各种燃料气。从焦炉中出来的 煤气约含4 8 9 m 3 的h 2 s 和o 1 5 2 m 3 的h c n 【1 1 。这些酸性气体的最大危害是腐 蚀设备和管路；氨和硫化氢在煤气燃烧时转变为氮的氧化物和硫的氧化物，严重 污染环境。因此这些有危害的物质必须从煤气净化系统中除去，同时使其变为有 用的化工产品1 2 j 。 、目前国内外关于煤气中h 2 s 、h c n 的脱除方法有干法和湿法两大类。其中， 真空碳酸盐法是湿法中较为典型的一种。真空碳酸盐法脱硫属于化学吸收法，由 于脱除煤气中h 2 s 的同时，也脱除其中的h c n 、c 0 2 等，因此属于多组分吸收。 真空碳酸钾洗涤法虽然理论上不算复杂，但是在实际工业操作中，为了达到最 佳的h 2 s 和h c n 吸收效果和碳酸钾溶液回收效果，还必须积累大量的基础数据， 并对洗涤器和蒸馏器内部结构进行设计优化，以保证气体和液体的充分接触。 为了能够为工业规模脱硫设备的设计提供理论依据，利用计算流体力学软件对 填料塔的气液比、进液位置、升气管结构等进行优化，以达到最佳的两相均混效 果。在此类模拟中，c f d 软件能够避开高温、高压、易燃、易爆等操作难度较大 的实验所带来的问题，弥补和克服传统方法的缺陷，减少物理模型试验，缩短研 发周期1 3 j ，节约研究经费，还可获取大量局部、瞬时数据，从而可指导工程的设计 和优化，其优势是十分明显和突出的【4 】。 随着计算机软硬件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，c f d 技术发展的 脚步越来越快，c f d 商业软件的应用也愈加广泛，操作更为灵活。与传统方法相 比，c f d 模拟实验在寻求最优化的操作条件和设备结构方面具有无可比拟的灵活 性。 c f d 技术被广泛应用于诸多领域，并已成为研究和设计中必不可少的种成 熟工具，但目前在将其应用于多相流方面，还仅仅停留在尝试性工作上【5 】。这项工 作是一个真正的挑战。不可否认c f d 技术在处理流体力学问题方面已经取得了很 大的进展，但由于目前对于多相流这种物理现象还未能完全的理解，同时由于在 此过程中所引起的流体力学相互作用的不可逆性和非线性，模拟两相流动过程极 第一章前言 其复杂。 在喷淋空塔内的流动较为复杂，对于吸收塔压降、液滴停留时间、塔内持液量 等内部流动规律，目前尚无成熟的计算方法【6 】。然而，吸收塔压降在整个脱硫系统 能耗中占有较大的比例，直接影响脱硫装置运行的经济性，是脱硫系统设计中的 一个重要经济、技术指标、液滴停留时间和塔内持液量与传质面积有关，是决定 脱硫效率的主要因素。因此，有必要对喷淋空塔进行冷态试验研究，探索流体力 学规律，优化吸收塔设计。 本文的目的是初步探索以f l u e n t 商业软件为平台，经过合理有效的简化后 建立吸收塔的物理模型，模拟出塔内的气液两相湍流场，并根据其流动情况及两 相混合情况，对塔内结构及气液比等操作参数进行改进或调整，以达到较好的混 合效果，为后续的中试提供必要的基础数据和指导。在现代计算机可视化技术的 帮助下，可以得到形象体现两相逆流的速度分布、浓度分布的真实图像，这可以 使我们对于气一液两相流运动得到更深刻的理解。 1 2 论文内容 本论文的整体架构及各章的内容均是按照课题开展的顺序安排的。 在第二章中，回顾并总结了焦炉气脱硫技术的发展、碳酸盐法脱硫的工艺原理 及填料塔在其中的应用，并详细总结了c f d 技术的发展概况及其在化工中的应用， 同时阐明了本文所做研究的必要性和可行性。 在第三章中，对本次模拟的对象双段吸收一双段再生真空碳酸盐吸收塔进行了 数学、物理建模，并阐述了其中的主要理论知识，同时对各模型加以分析和选择， 最终确定了欧拉模型等各项计算模型。 在第四章中确定了多相流的计算顺序，并对全塔进行了单相流场的计算、多相 流场的计算，为网格划分及进料口尺寸奠定了基础。 第五章在第四章计算结果的基础上，重新对全塔物理模型进行合理简化，并对 网格独立性进行了试算和判断，以此为基础对上下段塔分别进行了单相流场和多 相流场的模拟，并对上段塔内空塔气速对结果的影响进行了评估。 在第六章中对第五章所使用的网格进行了独立性验证。在同样的操作参数及边 界条件设置下，通过对下段塔加密网格中单相流场及多相流场的计算，验证第五 章中所使用的网格是否具有良好的独立性。一 第七章中，将上述结果进行了总结，并对所得的重要发现与结论进行了着重强 调，并且给出了对未来工作的建议。 第二章文献综述 第二章文献综述 本章回顾并总结了焦炉气脱硫的相关技术文献及c f d 模拟在脱硫吸收塔中的 应用。本章旨在于提供相关领域的背景，即焦炉气脱硫技术、c f d 技术及当前气 液两相流计算的发展情况，从而可知本文所做工作的重要性。 2 1 焦炉气脱硫技术 2 1 1 焦炉气脱硫技术概况 我国已将煤化工的研发及产业化列为国家中长期发展规划，是未来国家科技创 新和产业化的主要研究方向之一。国内化工、电力、煤炭等行业也纷纷进行这些 技术领域的应用、示范，已经形成了对这些技术的巨大需求。 煤化工主要是指以煤为原料经过化学加工，使煤转化为气体、流体和固体燃料 及化学品的过程。包括煤的高温干馏、煤的低温干馏、煤的气化、煤的液化、煤 制化学品及其他煤加工制品。下剥l 】给出了煤加工行业的类型及其产品。 表2 1 煤加工行业的类型及其产品 t a b l e2 一lt h et y p eo fc o a lp r o c e s s i n gi n d u s t r ya n di t sp r o d u c t s 气化炼焦 直接液化低温干馏 其他加工 煤气一合成气一氨、 焦炉煤气煤焦油焦炭 液化油一煤气、低温 褐煤蜡、活 甲醛、流体燃料、化 萘、蒽、吡啶、冶金焦、电石流体燃料、煤焦油、半 煤气、粗苯 性炭等 学品、醋酐等沥青、碳素品一乙炔化学品 焦 2 0 世纪，许多有机化学品，大多数是以煤为原料进行生产，煤化工成为化学 工业的重要组成部分。焦炭作为冶金工业的主要原料被炼铁厂大量使用。炼焦用 煤在复杂的地质状况下含有上百种成份，这样煤在焦炉中成焦的同时，其中多种 成份将随煤气一起进入下面工序。 煤的气化在煤化工中占有重要的地位，用于生产各种燃料气，属于洁净能源。 煤气化生产的合成气，可合成流体燃料即煤间接液化，也可用于合成氨、甲醇、 醋酐、醋酸甲酯等。 随着用户对煤气需求质量的不断提高，对煤气净化并除去其中多种成份的净化 工艺便产生了，这样经过处理后的煤气称之为净煤气。1 7 9 2 年苏格兰人发明用铁 甑干馏烟煤以来，煤气制造技术得到了发展。法国、德国、英国、荷兰先后建立 起能够回收化学产品的焦炉，并以奥托霍夫曼型焦炉最为著名，从此炼焦工业 第二章文献综述 不仅生产焦炭，同时也生产净煤气。1 9 2 5 年，我国在石家庄建成了第一座炼焦化 学厂。1 9 3 4 年，在上海建成立式炉和增热水煤气炉的煤气厂，生产城市煤气。【l 】 煤气自焦炉出来之后，温度约为7 0 0 ，经过冷却之后，需要回收其中的有用 物质，之后才能进行输送利用。从粗煤气中回收一些物质前后，粗煤气的组成变 化见表2 2 【1 】。煤气中的这些有害物质，如果在回收及输送之前不进行清除，将产 生种种不利影响，如：煤气中的萘能以固态析出，容易堵塞输送煤气的管路；煤 气中焦油蒸气有害于回收氨和粗苯的操作；氨能腐蚀设备，燃烧时生成氧化氮， 污染大气；不饱和烃类能形成聚合物，容易引起管路和设备发生障碍等。 表2 2 回收一些物质前后的粗煤气组成( g m 3 ) t a b l e2 2t h ec o m p o s i t i o no fr a w g a sb e f b r ea n da r e rr e c o v e r i n g 在杂质中，h 2 s 和h c n 是相当重要的一部分，其危害主要有以下几点：1 2 j 1 含h 2 s 和h c n 的煤气在输送过程中腐蚀设备和管道。 2 煤气作燃料燃烧时，生成硫氧化物( s 0 、) 和氮氧化物( n o 。) ，严重污染大 气，通过光化学反应还能形成酸雨。 为了满足用户的要求。如冶炼优质钢，煤气中h 2 s 允许含量l 2 9 m 3 ；冶炼普 通钢h 2 s 允许含量2 3 9 m 3 ；供化学合成用时，h 2 s 允许含量1 2 m m 3 ；供城市 煤气用时，h 2 s 含量应小于2 0 m g m 3 。 3 焦炉煤气脱硫可生产硫磺或硫酸，做到变害为利。 煤气脱硫的方法有干法和湿法两大类，详见下表。【l j 表2 3 煤气脱硫方法 t a b l e2 - 3g a sd e s u l p h u r i z a t i o nm e t h o d s 干法湿法 化学吸收法物理吸收法物理化学吸收法 中和法氧化法 氧化铁法 萘醌法 分子筛法 真空碳酸盐法 苦味酸法低温甲醇法 活性炭法 醇铵法 环丁砜法 蒽醌法、栲胶法 聚乙二醇二甲醚法 氧化锌法 有机碱法 砷碱法 低浓度氨水法 氨水液相催化氧化法 第二章文献综述 干法脱硫既能脱除无机硫，又能脱除有机硫，而且能脱至极精细的程度，脱硫 工艺和设备也比较简单，操作维修方便，小厂多用。但干法脱硫剂再生困难，需 要周期性生产，设备庞大，不宜用于含硫较高的煤气，一般与湿法脱硫相互配合， 作为第二级脱硫。 湿法脱硫可以处理含硫量很高的煤气。脱硫剂是便于输送的流体物料，不仅可 以再生，而且可以回收有价值的硫元素，是一个连续脱硫的循环系统，只需在运 转过程中补充少量物料，以抵偿损失。 2 1 2 真空碳酸盐法脱硫的工艺原理 真空碳酸盐法，尤其是碳酸钾洗涤脱硫脱氰工艺的特点别l 】： 1 净化过程中产生的有损环境的废料少，可以从气体中除去几乎全部的氢氰 酸； 2 改变了传统的正压净化煤气，工艺全部净化过程在负压状态下进行，使整个 煤气净化过程处于低温中，避免了风机处于前部时带来的煤气温度的波动起伏变 化，因而无需终冷； 3 整体过程流程短，简化了设备有利于洗涤吸收；煤气在低温下输送，因而减 小了介质的容积，减轻了介质的腐蚀。 煤气与碱溶液在脱硫塔内接触，发生吸收反应( 以k c 0 3 为碱源) ： k 2 c 0 3 + h 2 s k h c 0 3 + k h s k 2 c 0 3 + h c n k h c 0 3 + k c n k 2 c 0 3 + c 0 2 + h2 0 2 k h c 0 3 该主反应过程是可逆的，溶液再生的过程即为吸收反应的逆反应过程。 由于煤气中含有0 2 ，以及真空系统漏入空气，在进行上述主反应的同时，还 发生以下副反应： 2 l m s + 2 0 2 哼k 2 s 2 0 3 + h 2 0 2 k c n + 2 h 2 s + 0 2 k c n s + 2 h 2 0 因副反应过程不可逆，因而生成的产物( k 2 s 2 0 3 、k c n s 、k 2 s 0 4 、k 2 s 0 4 、 瞄( f e ( c n ) 6 ) 等) 在溶液中不断累积，造成溶液吸收能力下降、溶液粘度增加、碱 耗增加，所以系统应排出部分溶液，以控制副产物在规定的浓度范围内。 1 吸收溶液的选择 真空碳酸盐法脱硫工艺因碱源不同，分为碳酸钠法和碳酸钾法。碱源的选择主 要考虑以下因素： ( 1 ) 溶解度 吸收溶液对于h 2 s 应具有较大的溶解度，这样可以提高吸收速率并减少溶液 第二章文献综述 本身的消耗量。碳酸盐法脱硫工艺，吸收溶液的h 2 s 容量取决于溶液中游离碱的 浓度，因此，较高的碳酸盐溶解度对于提高h 2 s 的吸收率是有利的。下表对钠和 钾的碳酸盐溶解度进行了对比，在2 5 3 0 时，钾碳酸盐溶解度是钠碳酸盐溶解度 的3 倍，因此相比之下，选择碳酸钾作为脱硫溶液更具有优越性，能够降低设备 投资和能源消耗。 表2 - 4 碳酸盐的溶解度 ( 10 0 m i 溶液) t a b l e2 - 4c a r b o n a t es o l u b i l i t ) ， “1 0 0 m ls o l u t i o n ) n a 2 c 0 3 6 4 2 n a h c 0 3 6 5 k 2 c 0 3 5 1 9 k h c 0 3 1 8 4 5 7 15 8 3 ( 2 ) 选择性 溶液对于h 2 s 具有良好的吸收能力的同时，对煤气中c 0 2 等气体应控制其少 量吸收或吸收甚微，以减轻溶液再生系统的负荷和降低能耗。 ( 3 ) 腐蚀性 溶液的腐蚀性应较弱，对设备和管道材质无过高要求。碳酸钾比碳酸钠溶液的 腐蚀性稍强，但腐蚀试验表明，低温下普通碳钢即适用。 ( 4 ) 其它 吸收溶液还应价廉易得，便于回收。 2 选择性吸收的控制 按照气体吸收的“双膜理论”，吸收传质速率取决于气、液两膜的阻力。对于 易溶气体，传质阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略；而难溶气体 则相反，传质阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。 从表中可看出，h 2 s 气体的亨利系数较小，吸收过程属“气膜控制”；而c 0 2 气体的亨利系数相对较大，吸收过程属“液膜控制”。 表2 - 5 气体水溶液的亨利系数( a t m ) t a b l e2 5h e n 叫c o e 币c i e n to fg a ss o l u t i o n 6 1 9 5 l 4 5 7 3 l 5 3 1 7 8 2 2 2 4 4 3 l 5 3 8 3 9 2 2 l 3 l 3 l 5 3 4 0 4 1 8 0 3 8 2 5 2 饥 8 愿 9 n & 铉 抖 j 6 2 7 m 铉 扒 第二章文献综述 在脱硫塔内，c 0 2 首先溶于水，随后k h c 0 3 ，其吸收速度比吸收h 2 s 的速度 慢许多。因此缩短煤气与碳酸钾溶液的接触时间，有利于减少c 0 2 的吸收。 另外，当p h 1 0 时，反应c o ：+ h o 。专h c o j 迅速回忆；因此，还应控制溶液 的p h #5lc=hl 爨萌吲一团圆一阑圄国豳一固圄一国圃 第四章全塔计算结果及讨论 大致相当) 变得平缓均匀气速为2 t5 州s 。这些变化对后续两相接触都是非常 有利的以上段塔为例：a ) 图所示为x = 0 m 处，即塔的中轴线上填料段的气速，可 以看到无填料时，四个上升管环绕分布使得中轴线处气速仅为l i 以左右，与等高 度其它位置存在差异，不利于混合及传质，而引入阻力项后，气速增至平均水平， 从而弥补了之前负压带的影响；由b ) 图及c ) 图可看出，过高的气速被均匀地降低， 更有利于在两相混台时与液相充分接触反应。 在全塔其它位置。气速与未加填料时基本完全吻合，这说明两步结果均已达到 收敛，否则难以达到此时的相符程度。此时，考虑在上述结果的基础上引入液相 进行多相流湍动场的计算。 4 3 多相流湍动场 在上述结果的基础上，加入液相并设定填科段的多孔介质项进行计算。其中渗 透性因子d ，惯性阻力园子c 根据34 1 中所述以及公式( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 计算得到。 由于全塔所需计算的方程较多，模型更加复杂，因此需选定较小的残差值作为收 敛标准，此处选为1 0 1 ，最终结果的残差图如下； 0 2 1 3 0 0 01 3 5 1 4 0 0 01 4 5 0 。t 5 0 0 0 1 5 5 0 01 6 0 。o l t e r a t i o n s 图4 9 拿塔多相流计算残差罔 f 1 9 4 9 t h l d u a i so r m u p h en a l c u i m l o no n h e w h o i e m w 目 得到的全塔气、液两相速度分布分别如图4 一1 0 所示。整体而言，气液相速度 第四章全塔计算结果及讨论 在填料内由于受到阻力项的影响，与未加入填料时分布的均匀性相比，得到了较 大改善。另外，除下段塔的气速由于气体进口的作用外，在填料区内，气、液速 度分布均较为一致。 2 0o o - 00 0 气速m l 1 0 - 0 0 0 勰m n 气相”溯 图4 1 0 两相流音填料状态气、灌相速度分布 啦1 0 t hv c k 畸d i s 耐b l l 6 0 n so f g a s a n d l i q m d h t 卅p h a n o w w i 血p a d d n g 在填料之外的其它位置，速度分布较为混乱，与预期值相差较大。以塔底附近 的液速为例，此处位于气体进口之下气体对液体所造成的阻力小，因此液速应 表现为近似呈自由下落的分布趋势，等速面应较为光滑平整，并且表现出一定的 对称性( 由于气体进口与x - z 平面的交角存在，此处不应是严格的对称) 。但由图 4 - 1 0 中可看出，液相的各等速面虽然波动趋势相仿，但形状并不一致， 下面分别分析全塔的纵向气速和液速分布，如图禾1 1 和图4 ，1 2 所示。两图均 取x = 0 i r - 的垂直线处分布。 一一匕蕾图嗣 第四章全塔计算结果厦讨论 鼬4 # 固 嗜一 r 髓5 ：一 影i 剐一 卜 鬟酬一 f 一困蹦 i j 芒5 旷一 k 隧。h 捌黧 钔坐标及图例hx = 帅c ) 该垂直线处液速分布 图斗1 2 两相流舍填料状态液相速度纵向分布 啦“1 2 1 l i ev 硎dd i 州b m i o no f g 拈v e 】o 嘶m m _ p h a s en o w w i t h p a c k l l l g 比较图4 一】l 与图4 一1 2 可知，多孔介质模型所引入的阻力项对液相影响较大， 液速在填料段基本呈水平状分布，但对气速几乎没有起到应有的平均化作用。分 析其原因可能是上段塔内气体进口过小。为保证一定的流量使得入口处气速过高， 对于该速度而言单个网格( c e l l ) 的尺寸相对偏小计算精度未能达到满意的程度， 从而影响了堆终的结果。 塔内的浓度分布如图4 - 1 3 所示： 第四章全塔计算结果及讨论 oo o - 鼍体积分数- - 鼍体积分数 蔫| i | 霹卜 a 1 世标及图例b ) f 8 ，j8 m c ) 该水平线处液相浓度分布 图4 1 4 两相流含填料状态液相浓度水平分布 f 4 - 】4t h eh o n z o n b l n ld l s t r i b m 啪o f l l q u hc o n c e 卅a t i o n m t w m p h a s en o 1 【h p a c k i 唣 蔼 呻睡。 llo) 国翻国 溉l 第四章全塔计算结果及讨论 由上图可看出，相对于气速分布而言，填料项的引入对平均气液相的浓度分布 起到了较大的作用。x = 2 m 2 m 间，浓度分布均匀，分别处于1 和0 5 左右，这 与理论上的整塔平均值是相符的，但考虑到全塔内液体进口和气体进口位置等因 素对浓度造成的影响，该处浓度值应稍低于上述计算值，大致应为0 5 0 8 左右。 临近塔壁处，即x _ 土2 4 m 处，边界层内气液速均显著下降，因此混合程度 低于填料内部，粘度较大的液相在此占据主要位置，从而浓度比中部平均处高出 许多，至塔壁达到最大值。 但总体而言，塔内浓度分布并不理想，液相浓度很低，气液相浓度差大，两相 接触混合尚且不能达到理想状态，二者间的传质就更无法进行了。 4 4 小结 1 ，本章中，我们采用商业化软件f l u d 盯中的欧拉多相流模型对吸收塔内的 单相流场及多相流场进行了计算液体力学模拟。从以上计算结果可得到以下结论： ( 1 ) 在本算例中，选择k 吨模型为湍流多相模型。并且考虑到两相之间的湍 流起主要作用，因此需对每一相使用独立的湍流传递方程，使用“各相湍流模 型”( p e rp h a s e ) 。其缺点是在精确度增加的同时，运算量较其它模型也有所增 加。 ( 2 ) 由于多相流计算精度要求较高，在f l u e n t 的3 d ( 单精度) 模式下进 行计算常常会导致浮点数报错，因此选择3 d d p 模式，即3 维双精度进行计算， 结果得到较大改善。因此后续计算均采用双精度模式，不再另加说明。 ( 3 ) 由结果可看出，多孔介质项对于塔内两相逆流的速度差起到了较好的平 衡作用，与填料塔中的预期结果定性相符，这也说明该模型可以较好的完成对 散装填料的模拟，在计算中表达出其应有的性质。 ( 4 ) 由于多相流流场需要计算的方程和未知项均较多，因此无法直接进行计 算，需要寻找较好的初值。按照经验及文献中类似的算例，本文选择单相流场 的计算结果作初值。经过试算后，根据计算耗时及残差趋势，选择“单相流无 填料一单相流含填料一多相流含填料”的顺序进行计算。结果表明，这样的计 算顺序是适合于本算例的，在本文之后的计算中将继续采用这一顺序。 2 本次计算结果并不十分令人满意，全塔流场计算难度很大，需在此基础上做 以下几点改动： ( 1 ) 上段塔的升气管较短，并且横截面偏小，导致气相入口面积偏小，在塔 内流量恒定的情况下，进口处气速远高于塔内平均值，气体进入塔内后发生剧 烈的湍流现象，从而导致流动混乱，影响了两相混合的效果。因此，需要在原 第四章全塔计算结果及讨论 塔的基础上适量增加上段塔的入口面积，可通过增加升气管的直径或提高升气 管侧壁开口的高度来实现。 ( 2 ) 网格划分稀疏，导致全塔计算精度不足。后续计算需要在此基础上进行 整体细划，以加密计算网格，并进行网格独立性分析，以保证计算精度。同时， 考虑到工作站的计算性能有限，因此，需要设法将全塔模型划分为若干具有计 算独立性，互不影响的部分进行求解。 第五章分段计算结果及讨论 第五章分段计算结果及讨论 由前一章结果可看出，在没有并行计算设各的情况下全塔计算不仅网格数偏 多，计算费时费力，而且上下段在计算中互相影响，造成结果难以收敛。为解决 这一问题将塔的上下两层分别建模，同时在两台工作站上进行计算，这样既避 免了两段间的计算过程相互影响，又可在原有基础上将网格数略为增加以提高计 算的精确度和计算效率。 5 1 建立物理模型 为了提高收敛性和计算效率，在上述简化的基础上对塔作进一步的简化：忽略 塔底进气管与x 吃平面的交角，改为平行进入，以求在不影响全塔流场性能的前提 下尽可能的简化模型；将全塔划分为上下两段分别划分网格，各自作独立计算， 求解其单相及多相流场。由于上下两段塔仅气相连通因此分开计算并不会引入 误差，同时还可避免上下两层在计算过程中互相影响，从而有效提高收敛速度。 吸收塔模型如图5 - l 咀) 所示，简化后的模型如图b ) 所示。其中，图a ) 中的蓝色 部分和b ) 中的青色部分为填料段，按照上下两段气体进口面积基本相等的原则， 将上段塔底部的升气管高度增至原来的25 倍，其余尺寸与图4 _ 2 相同。 l a ) 原塔模型b ) 吸收塔计算模型i l 图s 】吸收塔计算模型 f 5 - it 1 1 ep h y s i c a l m o de | 1 1 日p u l m g m ea b s o 耐m t o w e r 囊鬟 胃d _ 第五章分段计算结果及讨论 上下两段计算模型的俯视简图分别如下： 5 2 划分网格 a ) 下段塔b ) 上段塔 图5 2 吸收塔计算模型俯视图 f i g5 - 2t h ep l a n f o n no ft h ea b s o r p t i o nt o w e rm o d e l 利用g a m b i t 建立吸收塔物理模型之后，需要根据多相流所需精度划分网格， 同时还需考虑到计算机的运算能力，网格数的选择需要经过试算方可选定。在数 字化计算过程中，所用网格的大小影响着最后预测结果的精确性，这种现象在变 量的梯度较大时尤为明显，因此需要对计算域做网格独立性判断。 本节中，将通过观察流场的速度大小、纵向速度、湍流耗散速率、湍流强度以 及湍流动能随网格数目变化的情况来考察网格数目的变化对流场的影响。由于塔 结构复杂，划分网格及计算耗时量可观，因此需选定塔中能够完整反映塔结构的 最小单元作为计算对象。 由图5 1 - b ) 可看出，简化后的吸收塔模型关于y z 平面对称( 相对于整塔的尺 寸，暂可忽略液体进口上方的西= o 2 m 的细管) ，并且考虑到两段塔中上段结构更 为简单，因此选择上段塔的x 轴正向部分作为试算对象，流场选用最基本的无填 料状态下的单相湍流场。 由第四章中结果可知，本次模拟中全塔的网格总数应在1 5 1 0 5 以上，可认为 任一层塔的网格数应大于7 5 1 0 4 。通过对塔内不同位置的节点间距( i n t e r v a ls i z e ) 作相应的减小以提高总网格数，在兼顾工作站计算性能的同时，共进行了四次试 算，计算参数及网格数等列于表5 1 中，各次试算的收敛标准均设定为迭代残差小 于1 0 6 。 第五章分段计算结果及讨论 随着网格数目的增加，单步计算时间呈线性增加趋势。观察流场的各项主要性 质随网格数目变化的情况，所得结果如图5 3 至图5 7 所示。 5 善。 三 薹： 函 o o - o o x l o a o x lo 1 ，a l c 5 1 6 x 1 0 520 ，c 1 0 5 蚓倍数 图5 3 速度大小随网格数目变化 f i g5 - 3t h ev e l o c i t ym a g n i t u d ev a r i a t i o nw i t h 伊i dn 啪b e r 5 3 2 o o - o 4 m o 8 ，o i ( 1o 1 加0 s1 五利0 。2 0 c 1 旷 l 叫倍数 图5 - 4 纵向速度随网格数目变化 f i g5 - 4t h ev e n i c a lv e l o c i t yv a r i a t i o nw i t h 伊i dn u m b e r m，一型期1扛 第五章分段计算结果及讨论 o 蕙 善 o 爱 穗 o 2 o o o d 胁1 0 -& m o 盘1 旷1 鱼 o 2 m l o l 列格致 图5 5 湍流强度随网格数目变化 f i g5 - 5t h et u r b u l e n c ei n t e n s 时v a r i a t i o nw i t h 旷i dn u m b e r 1 口 0 4 o d 妇10 8 0 x 1 旷1a 1 0 1 ，融1 0 。2 恤1o i 闷格毂 图5 6 湍流耗散速率随网格数目变化 f i g5 6t h et u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t ev 撕a t i o nw j t hg r i dn u m b e r o 8 0 6 o 0 2 a o o o 4 。撕1 & o x l o 1a 1 0 1 8 x 1 0 2 阻 旷 列格数 图5 - 7 湍流动能随网格数目变化 f i g5 7t h et u r b u l e n tk j n e t i ce n e r g yv a r i a t i o nw i t hg r i dn u m b e r 4 2 广掌)静篡莲芸崔疆 产翼)型暑遥琚 第五章分段计算结果及讨论 a ) 网格1b ) 网格2c ) 网格3 d ) 网格4 豳s 8 不同同格划分下气速分布 f ；g5 8 t h e g a s - v e l o c 峥d l 鲥b m i o n m d l f 妇m v 州m i 蚰w 砧鲋d n l 】m b e r 图5 8 清楚的表明，随网格数的增加，对计算域的模拟所得到的等速面边缘更 为平滑和清晰。由图5 3 至图5 - 7 可看出，当网格数目达到1 5 万之后，流场的各 项性质不再随网梧数的增加而发生明显改变。因此。在之后的实验中将对单层塔 选用2 倍于该网格数的划分形式进行建模与模拟。 考虑到全塔刚格划分的一致性及g a m b i t 中的划分要求，最终划分结果为： 上段塔2 6o 万网格，下段塔虽然高度上低于上段塔，但结构更为复杂，除进液管 处外，还需在进气管处作网格加密处理，因此网格数略高于上段塔，为2 68 万。 5 3 单相流( 气相) 湍动场 与全塔计算的顺序相同，需要先对单相流场进行模拟，得到气相流动的结果后 以其为初值进行后续多相流计算。 5 j 1 无填料状态 无填料状态下的气体流场( 即单相流) 是后续所有计算的基础，该步计算的主 要目的是得到气相流速分布。为简化计算，将气体设为单一组分n z ，忽略其它微 量杂质。此时需要设置的计算条件主要是边界条件和湍流模型，分别为速度进口、 压力出u 和标准k 一模型，并且在操作条件中考虑重力加速度项。 s 愚瀚 孑。幽 第五章分段计算结果及讨论 无填料状态下气相湍流场结果如下所示； 幽 曼1 搿 o0 0 气速耐s 曲上段塔侧视图 龠 移 _ 黼； 一0o o 气速m l b ) 上段塔俯视图( f 1 8 m 处)曲下段塔俯视