（化学工程专业论文）规整填料特征单元内流动与混合过程的cfd研究.pdf

中文摘要 规整填料在反应，分离及混合等领域有着广泛的应用，填料内部流体的流动 结构对相关设备的运行效率，如传质效率和混合效率等有重要的影响，但规整填 料内流体流动情况的基础研究文献报道很少。因此对规整填料特征单元内流体的 流动情况，及其混合能力进行深入的研究具有重要的意义。 早期对规整填料内流动的研究集中在宏观流动分布方面，目前则集中在填料 内部及更小尺度的流动描述上，而且采用c f d 方法研究填料内部的流动成为一种 趋势。本文针对m e l l a p a k3 5 0 y 型规整填料特征单元内的流动及混合现象，利用 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sf l u i d ，c f d ) 的方法模拟了单元内的液 相单相流流动，并结合脉冲示踪法对其混合行为进行了研究，考察了特征单元在 不同流速下的返混系数。为选取合适的计算流体力学模型，首先进行了实验测量， 建立了相应的实验装置，在室温下以甘油水溶液( 6 5 ，w t ) 为测试液体，利用 激光多普勒测速仪( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ，l d v ) 测量不同雷诺数下规整填 料单元内的流场分布。利用该实验结果表明r n g ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ) 卜 e 模型最适合描述规整填料内流体的流动。再利用该模型进行多个特征单元的计 算模拟，发现有良好的重复性，说明特征单元的选取是合理的。 为了定量地研究流体在规整填料内的返混现象，利用选取的r n gk e 模型研 究了不同流动参数下的轴向返混系数。在流场模拟计算稳定以后，在填料单元其 中一个入口( i n l e t l ) 处注入示踪剂，使用非稳态计算模型计算n a c i 示踪剂在 填料单元内的传递过程，得出单元出口处示踪剂的r t d 曲线，利用r t d 曲线求得 返混系数，结果发现表观液速对轴向返混系数影响较大，并随着表观液速的增大 而增大，而且流体在不同出口的轴向返混系数基本一致。另外为了更好地了解在 填料单元内不同出口的浓度分配情况，在填料单元其中一个入口( i n l e t l ) 处连续 注入示踪剂。计算其在单元内的浓度分配，并分别在两个出口处计算溶液中示踪 剂的浓度分率。计算结果表明不同物系在不同出口的浓度分配呈现完全不同的规 律。 关键词：规整填料特征单元计算流体力学 混合 脉冲示踪法激光多普勒测速仪( l d v ) a b s t r a c t h y d r o d y n a m i c so ft h ef l u i di so fg r e a ti m p o r t a n c ei nd e t e r m i n i n gt h e r e a c t i o no rm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yf o rc h e m i c a lp r o c e s sc a r r i e do u ti n s t a t i cm i x e ro rd i s t i l l a t i o nc o l u m nw h i c hu s i n gs t r u c t u r e dp a c k i n ga s t h e i ri n t e r n a l s u ps t i l ln o w ，v e r yf e wr e p o r t sh a v e b e e nf o u n di n 1 i t e r a t u r et oi n v e s t i g a t et h ef l o wb e h a v i o r ，m i x i n gb e h a v i o ri nt h e s t r u c t u r e dp a c k i n gf r o mr e p r e s e n t i n gu n i ts c a l e b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ei ns t r u c t u r e dp a c k i n g ，i tw i l l d e f i n i t e l yb eu n a t t a i n e dt os i m u l a t et h ef l u i df l o wo ft h ew h o l ec o l u m n w i t hs t r u c t u r e d p a c k i n go nt h ep r e s e n tc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) m e t h o dw a su s e dt os i m u l a t et h e v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h et y p i c a lu n i to fs t r u c t u r e dp a c k i n g c o m m e r c i a lc f dp a c k a g e ，f l u e n t ，w a su s e dt os o l v et h ep r o p o s e dm o d e lw h e r e t h es p e c i a lc o n f i g u r a t i o n so ft h es t r u c t u r e dp a c k i n gw a sc o n s i d e r e da n d m u l t i b l o c kb o d y f i t t e dm e s hw a su s e d as i n g l e f l u i dc f dm o d e l ，b a s e d o nn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ，w a su s e dt on u m e r i c a l l yp r e d i c tt h ev e l o c i t y d i s t r i b u t i o ni n s i d et h es t r u c t u r e dp a c k i n gu n i t e x p e r i m e n t a ld a t af o r l i q u i df l o wi nar e p r e s e n tu n i to ft h es t r u c t u r e dp a c k i n gw a sc o l l e c t e d u s i n gl a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y ( l d v ) m e t h o d i nt h ee x p e r i m e n t ，g l y c e r o l a q u e o u ss o l u t i o nw a ss e l e c t e da st h et e s t e d1 i q u i dt om i n i m i z et h e r e f r a c t i v ee f f e c t so fp l e x i g l a sp a c k i n g d i f f e r e n tt u r b u l e n tm o d e l sw e r e c o m p a r e da n dt h er n gk 一m o d e lw a sf o u n di ng o o da g r e e m e n tw i t h e x p e r i m e n t a ld a t a i th a sal o to fs i m i l a r i t i e sw h e nw ei n v e s t i g a t e d s e v e r a lu n i t sw i t ht h i sm o d e l t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r e dp a c k i n gu n i tc a nb e d e t e r m i n e dr e a s o n a b l yw e l lw i t hr n gk e m o d e l c o m p a r i s o no ft h er t d m e a s u r e di nt h et w od i f f e r e n to u t l e t sw i t hd i f f e r e n ti n l e tv e l o c i t i e sl e a d t ot h ec o n c l u s i o nt h a ts u p e r f i c i a lv e l o c i t yh a sg r e a te f f e c t so na x i a l d i s p e r s i o nc o e f f i c i e n tw i t h o u tr e g a r dt ot h ed i f f e r e n to u t l e t s k e y w o r d ：s t r u c t u r e dp a c k i n gu n i t ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ， m i x i n g ，r t d ，l d 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，也不包含为获得盘洼盘堂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：前，里 签字日期：川年月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂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： 蒈，曼 签字日期：p 彩年2 月日 导师签名：专l l 舂江 签字日期： 年2 - 月；日 第一章文献综述 1 1 规整填料概述 第一章文献综述 规整填料( s t r u c t u r e dp a c k i n g ) i l ls 是一种在塔内按均匀几何图形排布，整 齐堆砌的填料。它规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同 时却可以提供更多的比表面积，在同等容积中可以达到更高的传质、传热效果， 在精密精馏操作中丝网波纹填料首先取得了突破。规整填料还由于结构的均匀、 规则、对称性，在与散装填料具有相同的比表面积时，填料的空隙率更大，具有 更大的通量，综合处理能力比板式塔和散装填料塔大得多，因此以金属板波纹为 代表的各种通用型规整填料在工业中得到应用。通过对规整填料的深入研究以及 对塔内件( 如：气液分布器) 的精心设计、制造、安装和认真操作等，可以做到工 业放大效应不明显。由于规整填料具有压降低、通量大、分离效率高等优点，在 精细化工、香料工业、炼油、化肥、石油化工等领域的众多设备内得到广泛应用。 尽管规整填料塔在很多领域已经成功应用，但规整填料塔的设计目前仍停留 在经验与半经验阶段，主要原因是人们对规整填料塔内部实际发生的很多现象缺 乏深入的认识。而对于规整填料，早期研究主要集中在宏观流动分布方面，目前 则集中在填料内部及更小尺度的流动描述上，而且采用c f i ) 方法研究填料内部的 流动成为一种趋势。 1 2 规整填料塔中流体流动分布模型 填料塔内气液两相的流动对气液两相的有效接触和传质效率影响很大，其中 液体的流动分布尤为重要，因此各国学者对填料层中液体的流动分布做了大量的 研究，提出了很多模型来解释或描述填料层中的液体流动。对于规整填料内流体 流动模型，可以分为两大类：宏观经验描述型模型和细观基础解释型模型嘲。 1 2 1 宏观经验描述型模型 目前，国内外学者采用的宏观经验描述型模型主要有以下几种。 1 2 1 1 扩散模型 在最初研究规整填料塔内液体流动时，许多研究者啪叫”都搬用散堆填料塔内 第一章文献综述 广泛使用的扩散模型： 詈= 。睾弓争m 。， 式中 w 单位面积液体流率，m 3 ( m 2 s ) d 液体有效分散系数，i n h o e k 等嘲认为液体完全沿规则通道的倾斜方向流下，其横向扩散也是由于交 叉点处液体的混合形成的，并推导出了将扩散模型应用于规整填料时液体有效分 散系数的表达式： d = 0 2 2 a 2 b ( 1 _ 2 ) 式中 口液体在水平方向的位移，m b 液体在垂直方向的位移，m 李宏宇“认为该文并没有验证扩散模型对规整填料内液体分布的适用程度。 在李宏宇工作的基础上，何杰o 提出液体向下流动时，并不是沿规则通道的倾斜 方向流下，而是在重力的作用下，沿着与铅垂线最小夹角( 0 ) 方向流动，且这一 角度( o ) 同液体的喷淋密度有关，0 角随着液体喷淋密度的增大而减小，液体 在向下流动的过程中，在倾斜通道的交叉点处部分接触，进行质量传递后再分开， 使整个填料截面上的液体分布趋于均匀。 由于扩散模型推导的基础是液体在填料塔内的随机流动，而对于规整填料 塔，其流道十分规则，液体流动的随机性受到很大限制。鉴于此，孙敬玺”1 考虑 到规整填料既具有规则性又有随机性的特点，利用径向扩散模型和离散方法相结 合的手段模拟了金属板波纹填料塔内的液体流动。他在模型推导的过程中作了如 下假设和简化：液体完全局限于波纹板片间的二维扩散；液体以离散状态进 入波纹板片问空间的上端，各离散状态以点源形式向下进行二维扩散；同一级 内的液体分布为各点源二维连续扩散的叠加，并以离散状态进入下一级。 1 2 1 2 静态混合器模型 r d a n g i z e r “”以s u l z e rs 州型静态混合器中的液体分布为参考提出板波纹 规整填料内液体流动的静态混合器模型，其中液体以满流形式，沿静态混合器的 规则通道流动，在通道交叉处，构成一个混合室，液体只在混合室中发生混合。 液体每流过一个交叉混合室就发生一次混合，这样就构成了一个离散模型。他用 正方形排列矩阵模拟混合器内横截面形状，矩阵的每个元素对应填料横截面某一 第一章文献综述 位置的流动，经过一盘填料液体实现了二维混合，经过两盘填料则实现了三维混 合。他认为：模型的三个最重要的参数是混合器的长径比、体积交换系数以 及混合单元的大小并假设混合只发生在混合室中，图1 - 1 为静态混合器模型图。 其模型方程为：巧v j ( ( j 工, k 的) = ：( ( 1 1 - 一t s ) ) v _ ( ( j _ ，- 一1 1 , ，k | i + + 1 1 ) ) + + t s v _ y ( ( j ，- 一1 1 , ，k _ j - + 苫 ( 1 - 3 ) 式中，v x 代表x 方向的液相流量，v y 代表y 方向的液相流量，e 代表体 积交换系数。 1 2 1 3 结点网络模型 8 袋 l ， 图1 - 1 静态混合器模型图 f i g 1 ls t a t i c m i x e r m o d e l 在静态混合器模型的基础上徐崇嗣“”建立了金属板波纹填料塔内液体的分 布模型。该模型假设：在每盘填料内，液体在板片之间的一系列夹层内作二维 运动。在每一夹层内，液体沿波纹通道流动，仅在通道的交叉点处发生相互混合： 液体不从板孔透过板片；液体流到塔壁之后即发生完全反射；两盘填料的 交接面上相邻通道的液体发生横向混合。由于这种模型反映了规整填料塔内液体 流动的规律性和方向性，比较符合液体在规整填料中的总体流动规律。因此，许 多学者对这种模型进行了改进，提出了各自的结点液相混合分配方案，见图卜2 。 袁孝竞“”则从分析液体在波纹板片上的流动机理出发，提出了两参数分区结 点网络模型，认为液体的流动受波纹斜面与水平面夹角影响，其运动轨迹可被描 述为是沿着正视面投影与铅垂线的夹角向下流动。这一分析忽略了波纹板片上小 孔和皱纹的影响，并认为波纹板片对液体的润湿率很好，形成膜状流动。 n a w o c k i 等“”人在徐崇嗣模型的基础上建立了类似的模型，提出了结点处新 的混合方式。假设在波纹板片的两边不发生质量传递，即认为波纹表面没有小孔， 并认为在两片填料之间的交汇处不发生径向混合。 计建炳“”根据液体在波纹板填料内流动路径，提出金属波纹板填料液体分布 修正模型。该模型的简化假定：节点网之间没有液体交换；同一节点网上， 通道之间的液体交换在节点上进行；波宽是波高的偶数倍；液体从盘填料 第一章文献综述 流入另一盘填料时，端面不发生横向混合。 朱学军“”通过实验研究认为，液体在相邻两片填料上流动时，在结点处基本 上不发生混合。他通过对金属板波纹填料内液体流动机理的细致分析，提出如下 结点模型： l 。b + n ，n = p 。l 。 l y o + 聍，) = 见如 ( 1 5 ) 式中p i 为流道内液体分配系数。该模型假定：液体以溪流方式进入由波纹板片 上端组成的流道区域内，并因注入点的不同，按一定比例分为两股溪流流入相邻 的两片填料内；每股溪流进入波纹板片后，迅速在填料片上成面状分布流动， 面分布所跨越的各流道内液体流量不同，其值与液体物性、填料结构和材质有关； 相邻两片填料上的液体流动彼此不发生干扰，也不发生混合。该模型的特点之 一是适用于各种液体初始分布。 高瑞昶“”也在徐崇嗣两参数模型的基础上，考虑了板片上小孔的影响及壁面 效应的影响，建立了四参数结点网络模型来模拟填料塔内液体的分布规律，并考 虑了气体的影响。 a d i s o r n “7 “o o 认为在流道交叉结点处，液体分成四股向前流动，两股流体各 自沿着波纹通道流动，另外两股则沿波纹与平面的最大夹角方向流动，建立了相 应的液体分布模型。 张红彦“”根据透明有机波纹填料片内染色液体流动分布实验研究，提出了如 下流动机理：液体以溪流方式进入流道，在流道内迅速成膜状分散流动。不 同流道交叉点处发生混合，按一定的比例分配后，分成三部分继续向前流动；其 中两股沿波纹通道继续流动，另外一股则在重力影响下，沿两波纹通道之间的流 道向下运动。沿向壁流道流动的液体在塔壁处发生部分反射。在填料层下端 面，同一流道内的膜状流汇合成溪流，并沿结点流下。同时假设，液体不能通过 波纹片上的小孔由一个填料片夹层进入另一个填料片夹层。 裘俊红“”在计建炳原有工作基础上重新建立了波纹板规整填料塔液体分布 的数学模型。它由填料单元的液体分布模型、填料单元对应塔壁区的液体分布模 型及边界条件共同构成。 谷芳“刎根据实验现象的观测分析，建立了基于特征单元的液相分布模型， 提出如假设：液体以溪流方式进入某两片填料相夹的流动空间内，在填料表 面迅速扩展成溪流液膜状；液体一经注入，其混合和再分配过程均在两片填 料所夹区域内进行，不与相邻流动区域内的液体混合。液膜在结点处分成三 部分：结点混合部分，横向扩散部分、沿原流道流动部分；结点混合部分又 分成三个流股：沿左斜流道流动部分，沿右斜流道流动部分和竖直向下流动部分， 其中，沿左斜流道和右斜流道的流动部分相等；经过一个结点混合后某一流 第一章文献综述 道内的液体由原流道流动部分、混合分配部分以及从其它结点横向扩散部分共同 组成。液体在塔壁处发生部分反射；同一流道内的液膜汇集成溪流，沿流 道底端结点流下。 n a w r o c k i 模型( 1 9 9 1 年) 张红彦模型( 2 0 0 2 年) 裘俊红模型( 2 0 0 3 年) 谷芳模型( 2 0 0 5 年) 图卜2 各种改进型结点网络模型在结点处的分配方案 f i g 1 2a 1l o c a t i o ns c h e m e sa tc r u n o d e sf o rv a r i o u si m p r o v e dc r u n o d e sn e t w o r k m o d e l 5 第一章文献综述 以上结点分布模型都是以d a n g i z e r 静态混合器模型为理论基础的，可是 d a n g i z e r 的一个最重要的假设就是液体为“满流”，而在规整填料塔内，由于填 料的润湿性一般较好，液体通常以膜状分布在填料表面，在两片填料中间存在很 大空间供气体通过( 液泛时除外) ，因而相邻填料片上的液体在交叉点上是点与点 的接触，发生返混的分率很小，所以该模型适用程度值得讨论。此外，结点处的 返混系数很难测定，徐崇嗣等提出的用接液法来估算返混系数的方法是不可行 的，目前还未找到合理估计结点返混系数的方法。 1 2 1 4 单元网格模型 单元网格模型不同于传统的扩散模型，而是采用微元来描述填料塔的特征。 液体流动的特征主要是薄膜流动、滴流以及流体的飞溅。如s t o t e r 和o l u j i e 嘲 ”提出的l d e s p 液相分布模型，将整盘填料划分成一系列与填料孔道等效直径相 当的单元，液体以一定分配比例流入各个填料单元，并假定有液相流入的填料单 元壁面被完全润湿。c h u a n g 哺卜跏等也提出类似的模型，并假设计算单元特征尺 寸小于填料的特征尺寸。 1 2 1 5 “电子渗流器”模型 在填料塔内由于液体分布不均，使得塔内各个微小空间内液体流量不同。在 给定流动条件下，有些空隙空间液体很少或几乎没有液体，而有些空隙空间却被 液体充满。h a n l e y ”1 基于两相流中压降与电势差的类比，他认为，没有被液体充 满的塔内空隙对气体来说可以通过，类似于“导电”，这些空隙若被液体堵死后， 则气体不能通过，类似于“绝缘”，整个填料塔就是由大量“导电”与“绝缘” 的空隙格栅组成，其构成类似于“电子渗流器”。通过该模型预测了填料塔的压 降、泛点和质量传递系数。 1 2 1 6 空隙率流动模型 6 r o s s e r 汹1 等和d a n k w o r t h 提出了一个气液流动的宏观模型，该模型以气液 相空隙率的流动为基础，其模型方程如下： l + 8c 2 6 鲁+ v ( 洲= 。 印，e m v = 吨渤蝎船+ e 托v f f + 巩 ( 1 _ 6 ) 式中 第一章文献综述 f 。相界面处的曳力，k g m 2 s t t 粘性力，k g m 2 s r i 假湍流应力，k g 。m 2 s i l ，g ( 液相，气相) 通过该模型可预测泛点下的液体持液量和压力梯度，也可预测泛点。以上两 模型，还未见其他学者引用或改进因此应用较少。 1 2 2 细观基础解释型模型 1 2 2 1 计算流体力学( c f d ) 模型 现代计算流体力学( c f o ) 的发展和计算机的快速更新换代，用计算流体力学 方法解决填料塔内的问题已成为可能。1 ，特别是近期商业c f d 应用软件的出现和 不断发展，为填料塔的c f d 设计和模拟提供了有力的武器。近期一些学者在计算 流体力学的基础上，用不同的方法对填料塔内流体的流动状况进行了模拟。根据 建模的物理对象不同，可以分为整体平均c f d 模型和单元综合c f p 模型。 1 整体平均c f d 模型 所谓整体平均就是将填料层内流体的物性进行宏观平均，不考虑填料的各种 单个微观结构对流体的作用，而是将填料看作具有一定孔隙率和对流体在各方向 上都有一定作用力的介质，填料对流体的作用从模型上体现。 kty u 等人m 1 1 9 9 2 年曾以严格的n _ _ s 方程( 或雷诺方程) 及连续性方程为基 础，用较简化的边界条件对填料塔内带有传质( 增湿、减湿) 的气液两相流流动进 行了模拟。他们在柱坐标下建立了流体流动的n s 方程，在求解速度分布的同时， 与传热和传质方程联解求出温度及浓度( 湿度) 分布。 mt i e r n e y 等人啪11 9 9 8 年用不同的商业流体力学软件对环形散堆填料床内流 体的流动情况( 主要是流体通过单位床层的压降) 进行了模拟。他们用的填料为直 径5 珊的聚苯乙烯圆珠和直径为2 砌、长径比为1 o 的圆柱形沸石。模拟实验条 件为气相单相流，其建立的数学模型考虑了流体的惯性力作用、与宏观速度梯度 相关的粘性曳力的作用、与填料孑l 隙内微观流动相关的粘性曳力和湍流曳力的作 用。方程如下： p ( 9 6 9 v ) 舀= s g v p + 6 9 甲2 厅+ 占g r 厅( 1 - 7 、 其中厅为填料内的有效流速，方程右端第二项和占s a “为曳力项，r 为曳力系 数。 对于湍流流动，使用了k - e 模型。为便于比较，他们分别使用了c f x4 和 第一章文献综述 f l u e n t4 2 对模型进行了数值求解，并将计算值与实验值进行了对比，取得了 较好的结果。 另外ls p i e g e l 等人和dped w a r d s 等人1 9 9 9 年也用c f d 方法对规整填料 塔内的传质分离效率和流体在塔内的分布等问题进行过研究，但模拟过程只是气 相单相流，比较简单。 2 0 0 2 年张鹏和余国琮等人扭司“删用计算流体力学的方法对l e l l a p a k3 5 0 y 型规 整填料塔内气、液单相流和气液两相流条件下流体流动规律进行了系统的研究， 并考虑了压力对塔内流动状况的影响。他们在多孔界质理论的基础上，采用体积 平均的方法使规整填料塔内的非连续介质连续化，分别建立了单相流和两相流条 件下流体的输运方程。以液相单相流为例，体积平均后的运动方程为： 掣+ v ( p a e p ) + 知一v ( 绵卸v 弼) 一v 。( p a d e a 。v 邵) 一2 0 ( 1 - 8 ) 上式考虑了填料内流体的轴、径向返混及填料对流体的作用力。与一般化的 n s 方程相比，平均化后的n s 方程中增加了三个参数，即孔隙率6 ，、相间相 互作用力o , 7 、弥散系数矩阵d 。最后用商业流体力学软件p h o e n i c s3 3 对所 建的模型进行了求解，所得模拟值与实验值的相对偏差小于4 0 。 2 单元综合c f d 模型 所谓单元综合就是在充分考虑填料结构特性条件下，将填料看成是由大量结 构单元构成的整体，从单个结构单元人手来研究流体的流动状况。通常计算网格 的划分主要在结构单元内，因此网格划分得很密，能更真实的反应填料空隙内流 体的流动情况。但因计算量大，此种方法对规整填料目前也只能算几片填料。 图1 - 3h o s d o n 模型的单元形状和网格的划分 f i g 1 - 3s h a p ea n dg r i do f t h eh o s d o n sm o d e l jsh o s d o n 等人州1 9 9 7 年在气相单相流的条件下，用p h o e n i c s 商业软件对 m e l l a p a k3 5 0 y 型规整填料内流体的流动情况进行了c f d 模拟。因气相为连续相， 第一章文献综述 他们建立的模型仍为传统的n s 方程，但算法上有一些创新。他们将相邻两填料 片的通道交接处围成的空间看成一个体积单元，整个填料由这些体积单元组成， 其形状和网格的划分如图卜3 所示，计算是逐步进行的，即第一个体积单元的出 口是下个体积单元的人口，如此进行下去。计算中考虑了恒壁温传热的问题。湍 流模型为标准的k - e 模型。 图1 _ 4 陈强等的模型单元形状及网格划分 f i l l - 4g r i ds h a p ea n dm e s ho f c h e r tq i a n g sm o d e l 1 9 9 8 年陈强，王金戌，王树楹“洲对板波纹规整填料层混合单元内流体的 流动进行了三维数值模拟。其研究对象为j c p t 塔板结构单元提升管上，垂直放置 且整齐排列在一起的一段规整填料中的一个混合单元( 图卜4 ) 。因气液两相并 流流动，被气体带入到升气管中的液体在进入填料之前相互会合，大的液滴被气 体进一步破碎成细小的液滴，因此气液两相在填料通道中的运动按拟均相处理。 他们采用三维有限差分技术，运用n a v i e r - s t o k e s 方程研究计算层流状态下强制 流动流体在填料混合单元内的三维流场。并给出了混合单元内两流道交界面处的 三维流场图，对交界面处流体的混合机理进行了分析。 1 9 9 8 年c o e nv a i lg u l i j k 1 用c f x4 1 对含有2 6 个孔道的两片填料内流体的 径向返混情况进行了模拟，此软件是用有限体积法来求解微分方程，对填料孔道 内使用贴体网格。整个计算采用s i m p l e c 算法，速度使用混合差分格式，时间采 用全隐式向后差分格式，提出了“t o b l e r o n e ”简化模型。 r k r i s h n a 等嘲学者主要对规整填料反应床内的液相返混进行了实验测 定和c f d 模拟。他们使用的填料为k a t a p a k - s 规整填料，催化剂颗粒间隔地放在填 料的孔道内。实验为气液两相流，为便于c f d 计算，他们引入了“t o b l e r o n e ”模 型的概念使两相流问题简化为单相流来处理。“t o b l e r o n e ”模型的基本思想就 是气液相在催化填料床内走不同的通道，气相只从没有装填催化剂颗粒的空孔道 内通过，而液相只在装填有催化剂的孔道内流过，这样对每个孔道都可以用单相 流来模拟( 见图卜5 ) 。对于液流区，他们采用了如下的连续性方程和n s 方程来 描述： 第一章文献综述 a ( e i i p 1 ) t - v ( z l p l 磊1 ) = 0 ( i - - 9 ) 研 o ( p j , s _ l 舀一1 ) 1 - v p ，s u l u l 一，句+ 【v 回+ ( v 西) 】 = ，b s ，v p ( 1 - 1 0 ) 为了考虑孔道内催化剂颗粒对液流的影响，在计算中将孔道认为是具有一定 空隙率的多孔介质，颗粒对液流施加的形体曳力，即( 1 - 1 0 ) 式中的b ，可由e r g u n 方程求算。为研究填料内的返混情况，他们使用了示踪剂法，用均相模型 ( h o m o g e n e o u sm o d e l ) 来模拟两相流动，此模型对流体和示踪剂使用同一速度场， 模型的求解是一个非稳态的问题。 图1 - 5k a t a p a k - s 规整填料的物理模型及单元网格划分示意图 f i g 1 5p h y s i c a lm o d e la n dm e s h e so f k a t a p a k - ss t r u c t u r e dp a c k i n g jmv a nb a t e n 等人2 0 0 1 年采用相似的方法用c f x4 2 对该填料床内液相 的轴向和径向返混情况进行了模拟。他们计算的是相邻两填料片的1 6 个孔道( 含 3 2 个结点) 内的流动情况。 图1 - 6p c t r e 模型的五种局部结构 f i g 1 - 6f i v el o c a ls t r u c t u r e so f p e t r e sm o d e l 第一章文献综述 p e t r e 等“”采用f l u e n t 商用c f d 软件，对规整填料四种有代表性的局部结 构内的气相单相流进行了模拟( 图1 - 6 ) 。他们认为，规整填料塔内的压降是在这 四种结构共同作用下产生的。通过分析这些局部结构内的气相流场，得到每种结 构下的压力损失系数，并将其应用于整塔压降的计算。利用这种由局部估算整体 的方法，他们成功地预测了多种填料的干板压降。 对于大的三维几何结构的两相流计算，目前来说是不太可能的，这是由于规 整填料的结构的复杂性以及c p u 的限制。l u d o v i cr a y n a l 等1 人采用了以下三个 步骤来计算两相流中的压降：计算填料单元和两片填料的干压降( 仅含气相) ( 见图卜7 ) ；计算填料润湿后( - - 维) 的持液量；结合前两步，计算流经填 料的两相流的压降并与断层x 光摄影图比较，然后再与气体处理中试工厂中的数 据相比较发现湿压降可以通过结合前两步的信息( 干压降和持液量) 来进行预测。 图1 7 ( a ) 填料单元，( b ) 两片填料 f 培1 - 7 ( a ) s k e t c ho f t h ee l e m e n t a r yg e o m e t r yo f m ep a c i n g ( b ) t h et h r e ed i m e n s i o n a lc o m p l e xg e o m e t r y 用计算流体力学来研究填料层内流体的流动规律是今后的发展方向，特别是 对于一些在非常规条件下操作的填料塔( 如高温、高压、易燃、易爆等) ，因条件 苛刻，实验难度很大，用计算流体力学来模拟填料层内流体的流动和相间传递状 况，其优势是十分明显和突出的。因c f d 应用于填料塔领域还只是刚刚起步，目 前各学者的研究都做了一定程度的简化，还存在着一定的缺陷和不足。从模型角 度来看，整体平均c f d 模型，具有平均的意义，在宏观流动研究中具有优势，但 却不能反应流体的微观流动状况；而单元综合c f d 模型，虽在微观流体力学研究 方面大有发展，但因各结构单元间的边界条件较难确定，加之网格划分复杂、计 算大，目前也只能模拟几片规整填料内或几个散堆填料颗粒组成的填料床内流体 的流动状况，而且还作了大量的简化假设。可以预见，随着计算机运算速度和容 量的不断提高，以后的研究方向应是在考虑规整填料具体形状的条件下建立在填 料的每个孔道内的流体输运方程，并充分考虑孔道和节点对流体流动的影响。 1 2 2 2 计算传质学 利用计算流体力学方法研究过程工业设备内的单相及多相流体力学行为已 第一章文献综述 经成为一种发展趋势。然而，随着对设备内流体力学行为研究的深入，如何定量 研究流动等因素对传质效率的影响，通过计算流体力学解决传质的定量化描述问 题，尚没有可用的理论和方法。在此背景下提出的计算传质学研究，就是借鉴计 算流体力学和计算传热学的理论和方法，建立严格考虑流速分布、温度分布以及 化学和生物反应条件，定量描述传质状态的和方法，通过计算给出传质( 分离或 反应) 设备内任意位置的相含率、组分浓度、温度以及流速分布等各种参数，从 而定量研究各种因素( 包括如设备尺寸、结构以及流动分布等) 对传质分离或反 应效率的影响。从研究内容上，计算传质学应该是计算流体力学和计算传热学的 延伸。 谷芳等人乜2 1 首先建立描述规整填料塔传质过程的多尺度关联计算传质学模 型涉及填料表面局部溪流液膜流动过程。并通过精确测定m a l l p a k2 5 0 x y 、 3 5 0 x y 四种填料在两片规整填料内的液相分布和持液量，建立了规整填料宏观 液相分布的新模型。再在上述研究基础上，初步建立了规整填料塔传质过程的多 尺度关联计算传质学模型，提出了液相分布结点网络模型一气相拟单相流c f d 模 型一经典传质理论相耦合的规整填料塔传质效率计算方法，该方法属于一种由局 部小尺度传质过程估算整体传质效率的多尺度计算传质学方法。利用所建立的耦 合模型求得的h e t p 与常减压下的实验值吻合较好。所建立的方法不需输入实验数 据，只需给定气、液相物性参数和填料结构参数，即可较为准确地估算填料塔的 传质效率，对大规模填料塔的结构优化设计及整塔操作工艺优化设计提供了一种 方法和途径。 1 3 规整填料混合特性模型 气液两相在填料塔中的返混对传质效率有重大影响，例如在高压下填料塔的 效率就低。填料塔内返混特性的研究对探讨填料塔内气、液两相的流动机理，优 化填料塔的设计具有重要的作用。表1 中列出了目前填料塔内混合特性的研究状 况。 有关返混特性的研究大多针对气相，而针对液相返混的研究报道较少。填料 塔液相轴向混合的研究比较复杂，通常需要通过描述这一现象的数学模型、实验 技术、参数估计三者相结合的方法，求得代表液相轴向混合的参数，才能有效地 描述液相轴向混合。近年来，许多学者在这方面做了大量的研究工作，在数学模 型的建立及求解、实验技术的更新及改进和模型参数的估算等方面提出了一些很 有价值的研究方法。其中，研究的主要问题是在液相返混系数上。 第一章文献综述 表l 填料塔内混合特性的研究状况h 1 研究状况参考文献 h a r l e m a n 和r u m e r e d w a r d s 和r i c h a r d s o n 只考虑轴向返混忽略径向返混 h i s a n g 和h a y n e s a h n 等 m o n t i l l e t 等 f a i h i e n 和s m i t h 只考虑径向返混忽略轴向返混 r o e m e r 等 t a n a k a 和i n o u e b e r n a r d 和w h i l h e l m g u n n 和p r y c e 同时考虑轴向径向返混z i o l k o w s k i 等 h a n 等 f o u m e n y 等 张泽庭 1 3 1 一维扩散模型 化工过程的开发放大离不开数学模型，在进行填料塔液相混合特性的研究过 程中，建立并求解能够较好地描述填料塔液相流动和混合特性的数学模型是一项 基础工作。许多学者在研究描述混合特性的数学模型方面作了大量的工作，提出 了若干描述填料塔混合特性的数学模型“帕叫”，这些模型能够从不同侧面描述液 相的混合特性，对于研究轴向混合有很强的指导意义。目前，研究液相混合的模 型主要是以扩散模型为基础。 在所有描述轴向混合特性的数学模型中，以d a c k w e r t s 提出的扩散模型最为 简单，其数学式如下： 垃d e 万0 2 c 一唾= 百o c ( 1 - 1 1 ) 或_ 1 等一要：丝 或瓦可一i 0 0 ( 1 - 1 2 ) 式中p e 为彼克列数( p e = u z d 。) ，是表征液相返混程度的模型参数，c 为示 踪剂的浓度，u 为填料层内流体的速度，o = t t ，t 为平均停留时间，z = h h 。 第一章文献综述 该模型是基于以下假设得到的： ( 1 ) 扩散过程是一维的，径向无浓度梯度： ( 2 ) 塔内液相缝隙速度u r 为常数： ( 3 ) 脉冲注入对主体流动无影响，示踪剂的量在过程中守恒。 该模型基本思想是仿造费克定律的形式，将液体理解为单相均匀流与一维扩 散的迭加，虽然用这样一个模型来描述填料塔内复杂的两相流动和混合特性过于 简单和理想化，尤其对稍大直径的填料塔来说，缺点更为突出。但是，该模型具 有简单、方便、实用等特点，用一个参数总括了引起轴向混合的诸因素，将复杂 的两相流轴向混合仅视为物质的扩散问题，使问题简化，因此，该模型较为符合 小塔液体的流动，在各种化工过程的返混研究中得到了最为广泛的应用。 1 3 2 假一维扩散模型 张泽廷经过研究认为，填料塔液相的流动分布符合状态离散、时间离散的 m a r k o v 方程。张泽廷等“”在此基础上提出了考虑沿填料塔的径向具有不同轴向混 合的假一维扩散模型，用来描述填料塔液相的混合。 该模型将填料塔的流动液体分为若干个同心圆，每个同心圆或圆环代表一个 状态，并假定： ( 1 ) 流动液体为连续相： ( 2 ) 在填料塔同一横截面上，液相流速、径向浓度和混合系数在同一状态内 均为常数，但随状态而变： ( 3 ) 当量混合系数d 。在全塔范围内为常数。 基于上述假设，对塔微元段做总物料衡算，得： _ o c t ( t ) ：见氅尝一石墨盟 ( 1 1 3 ) 西 。 出2瑟 。 式中：打= l s b 即为假一维扩散模型的数学表达式。它与经典的一维扩散模型的不同之处在 于：一是它用综合塔内不同状态轴向混合的当量混合系数d 。来表征液相的混合； 二是该模型的示踪剂的浓度为平均浓度，故其考虑了径向浓度梯度。显然，若令 d ，为不考虑径向浓度梯度的一维扩散模型中的轴向混合系数，则本模型就退化 为一维扩散模型，故一维扩散模型可以说是本模型的一个特例。 通过分析，作者认为：该模型比经典的一维扩散模型前进了一步，特别是对 直径较大的填料塔更为适用。 第一章文献综述 1 3 3 二维扩散模型 张泽廷等啤。嘲在以前研究的基础上，把填料塔中的液体看作一维流动二维 扩散，将假一维扩散模型扩展为同时考虑液相轴向和径向混合的二维扩散模型， 其数学表达式为： 筹= 以d 虿0 2 c + q 学弓争一百篆m 边界条件为： 劁：o o r l ，。r 劁：o 静坦 c ( r ，z ) 。 c ( r ，o + ) ：g ，5 ( r ：) + 譬善 u 叱 该模型较为接近填料塔内的混合情况，尤其对于大直径的填料塔具有较好的 使用价值。作者采用新的测试手段( 示踪剂采用连续点源稳态注入的方法) ，获得 大量的填料层中各检测点处的示踪剂无因次浓度值，与模型解析解相匹配，通过 非线性规划有约束的最优化方法一可变容差法来估计混合参数，得到了液相混合 p e c l e t 准数的回归方程， n ( z ) = u 见 d - - - - - l 0 8 5 9 1 r e l 0 4 5 6 s 1 0 0 2 4 8 6 x 1 0 r e 。+ ( 鲁广8 8 “ ( 1 1 5 ) 1 4 本文工作 本文针对填料内部流速分布实验数据缺乏的情况，设计了相关的实验装置， 利用激光多普勒测速仪对流场进行了测量，并将实验结果与c f d 模拟结果进行了 比较，选出合适的计算模型。并在前