规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学

1、第39卷第10期2006年10月天津大学学报Journa l of T i a n ji n Un i versity Vol .39No .10Oct .2006规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学3刘春江,黄莹,李莹珂,陈江波,袁希钢,余国琮(天津大学化工学院化学工程联合国家重点实验室,天津300072摘要:针对Mellapak 350Y 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,并结合脉冲示踪法研究其混合行为,考察了不同流速下特征单元的返混程度.同时建立了相应的实验装置,在室温下以甘油水溶液(质量分数为650/0为测试液体,利用激光多普

2、勒测速仪对不同流速下,规整填料中特征单元内的液相流场进行了测量并与模拟结果进行了对比.计算与实验结果的速度分布趋势及其数值大小基本一致.关键词:规整填料;特征单元;计算流体力学;混合;脉冲示踪法;激光多普勒测速仪中图分类号:T Q021.4文献标志码:A 文章编号:049322137(20061021162207CFD S i m ul a ti on of M i x i n g Behav i or of L i qu i d Pha se Flowi n Structured Pack i n g Un itL I U Chun 2jiang,HUANG Ying,L I Ying 2k

3、e,CHEN J iang 2bo,Y UAN Xi 2gang,Y U Guo 2cong(State Key Laborat ory of Che m ical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China Abstract :To investigate the flow behavi or and m ixing phenomena in the structured packing fr om rep resent unit scale,computational fluid dynam ics (CFD method was

4、 used to si m ulate the vel ocity distributi on in the typ ical unit of structured packing .The co mmercial CFD package,F LUENT,was used t o s olve the p r oposed model where the s pecial configurations of the structured packing were considered and multi 2block body 2fitted mesh was used .Experi m e

5、ntal data for liquid flow in a rep resent unit of the structured packing was collected by using laser dopp ler vel oci metry (LDV .I n the experi m ent,glycerol aqueous s oluti on was selected as test liquid t o m ini 2m ize the refractive effect of Plexiglas packing .Si m ulation results were si m

6、ilar with LDV measurement results .Keywords :structured packing;typ ical unit;co mputati onal fluid dynam ics;m ixing;residence ti m e distribu 2ti on;laser dopp ler veloci meter规整填料在反应、分离及混合等领域有着广泛应用,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研究具有重

7、要意义.早期的研究者大多套用散堆填料的研究成果来描述规整填料内的流动分布1,所采用的模型多为经验或半经验模型,如Dangizer 2针对Sulzer S MV 型静态混合器提出的扩散模型、徐崇嗣3建立的结点网络模型等.随着计算流体力学及其相关学科的发展,对涉及复杂多相流体流动现象的传质分离与反应过程进行比较准确的量化描述逐步成为可能.由于规整填料结构的复杂性,目前要建立整塔实体物理模型存在很大困难,因此,部分学者采用整体平均的方法对填料塔的流动现象进行了研究,其中张鹏4利用流体力学模拟软件对塔内气体的流速分布及轴向返混进行了研究.另外,在气速为零的情况下对气液两相流的液相流场进行了计算模拟5.

8、针对填料内部的流动,Hosdon 等6采用标准k 2模型对规整填料内的气相单相流进行了模拟.Petre 等7采用F LUENT 对规整填料5种有代表性的局部结构内的气相单相流进行了模拟,研究表明,规整填料塔内引起压降的结构主要分为5种.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3收稿日期:2005209220;修回日期:2006201213.基金项目:国家自然科学基金资助项目(20206021.作者简介:刘春江(1970,男,博士,副教授,cjliutju .edu .cn .力损失系数,从而得到整塔的压降.Gulijk8建立了一个简化的“Tobler one”规整填料模型,并采用C

9、FX4.1模拟了示踪剂在液相单相流动时的扩散行为,并讨论了规整填料内液体的轴向和径向返混情况.在Gulijk 模型基础上,Krishna等911建立了针对K ATP AK2S 型反应精馏规整填料的计算流体力学(computati onal fluid dyna m ics,CF D模型,将两相流问题简化为单相流处理,模拟了气2液两相的示踪剂扩散过程,并估算了气、液相返混系数.同样采取计算流体力学方法,Lu2 dovic12对规整填料内的流体流动进行了研究,研究重点主要集中在气相压降的计算方面.综上所述,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

10、,而且采用CF D方法研究填料内部的流动成为一种趋势.笔者主要在前期工作的基础上,从填料局部单元的角度,对填料内部的流动结构及其混合行为进行了相关的理论研究.另外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CF D模拟结果进行了比较.1填料单元结构及实验填料单元的流动模拟装置见图1(1、2、3、4、5为5个不同的切面,实验流程见图2.整套实验装置包括一套激光多普勒测速仪、流动测量单元、液体循环系统和一套数据采集系统.激光多普勒测速仪是根据光学多普勒效应研制成的.实验中采用丹麦DANTEC公司的单探头3D LDV系统.实验装置

11、主要为Mellapak350Y型规整填料片单元(如图1.模型由透光性能很好的有机玻璃制成.为了防止因光线折射造成位移变形, 将填料单元需测量图1填料单元流动模拟装置F i g.1D ynam i c si m ul a ti ve equ i p m en t chart of structured pack i n g un it图2实验流程F i g.2Exper i m en t flow chart部位浸没在盛满甘油的方形容器中.实验介质为甘油水溶液.三角管长300mm,切面底长18mm,高9mm,以2个三角管交叉中心点为坐标原点.所测切面y分别为-25mm、-7mm、-2mm、7mm

12、和25mm(图1(b中分别为编号1、2、3、4和5.测定了在R e=209.38下瞬时速度沿x、y和z方向的分布情况.2规整填料特征单元内流场的CFD模拟流场模拟采用的雷诺数为209.38,按传统的流动区域划分在该雷诺数下流动应为层流,但传统的划分方法是以流体在圆管流动为前提,对于规整填料,其单元结构比较复杂,尤其是交叉部分,故采用简单的层流模型来描述其流动状态并不合理.一般认为,在规整填料中以雷诺数等于135时作为划分层流与过渡流的界限.流场模拟采用的是Reynolds平均的N2S方程.一般情况下,多用标准k2模型对方程进行封闭,但该模型假定流体的湍流在空间上为各向同性,因此对于几何形状复杂

13、的规整填料内的流体流动该模型不适用.通过比较不同湍流模型的计算结果,选用了RNG(renor malizati on gr oupk2模型描述规整填料内流体的流动.该模型是对标准k2模型的一个修正,它采用一个微分方程的形式描述湍流黏度随有效雷诺数的变36112006年10月刘春江等:规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学化, 适合于计算低雷诺数流体流动和近壁流,同时,重整化RNG k 2模型还使计算过程从层流区到充分发展的湍流区的过渡变得很平滑,因此能很好地解决过渡区的流场、传热及传质.由于实验部分所用的液体(甘油水溶液的黏度较大,且实验测试流量范围内其雷诺数为209,这种湍动属于低雷诺数下

14、的湍流过程.封闭后的RNG k 2模型为55x i (ku i =55x j (k eff 5k 5x j+G k +G b -Y M 55x i (u i =55x j (eff55x j +C 1k G k -C 22k-R 式中G k 是由层流速度梯度而产生的湍流动能,G k =-u i u j5u j5x i式中:G b 为浮力产生的湍动动能生成项,对等温过程该项为0.Y M 为可压缩湍流中由于流体膨胀产生的湍动动能,计算流体均假设为不可压缩流,因此该项也可忽略.C 1和C 2是常量,k 和是k 方程和方程的湍流Prandtl 数18.利用商业流体力学软件Fluent 26.0对规整填

15、料内.假定填料单元表面未开槽,液体流动为稳态流动,且在恒温下进行.模拟条件与后面的实验条件一致.模型的几何形状如图3所示,利用G AMB I T 生成三维分块结构化贴体网格,整个计算区域共划分为316848个四面体网格.液体入口设为速度进口,出口设为自由流出,并考虑重力的影响.计算收敛后,分别取十字交叉部分(如图1(b y 分别为-25mm 、-7mm 、-2mm 、7mm 和25mm 切面. 对计图3填料单元的计算网格F i g .3Com put a ti ona l gr i d of structuredpack i n g un it算结果进行后处理.3计算结果与测量结果的比较实验测

16、量了R e =209下规整填料单元内的流场分布.图4图8是雷诺数为209时,不同切面的CF D 计算与实验测量的速度等势图.图4为第1切面速度分布,该切面尚未进入交叉部位,速度分布不再变化,建立了充分发展的流动.从实验结果看,在主流动y 方向上,速度均为正值,说明流体在正方向上流动,由流道壁面至中心处速度在逐渐增大,在中心处达到最大值.x 、z 方向均为非主流动方向,分速度相对于y 方向分速度小1个数量级.x 与z 方向的速度分量有正有负,变化较复杂,但是由于其速度值较小,因此对主流方向的流动影响并不是很大 .图4第1切面速度分布F i g .4Veloc ity d istr i buti

17、on i n face 14611天津大学学报第39卷第10期从计算结果来看在主流动方向y 上与实验结果相似,最高流速出现在中央部分,速度分布呈抛物面型,但在x 、z 方向上则相差较大.图5为第2切面速度分布,该切面刚刚进入交叉部位.在y 方向上,CF D 的结果与实验结果相似仍是呈现出较为标准的抛物面型的速度分布,但由于另一股流体的加入使最高流速出现的位置发生了偏离.但对于x 与z 方向的速度分布,CF D 计算与实验结果相差较大.图6为第3切面速度分布,该切面位于交叉部位的最大截面处,由一个等腰三角形及一个矩形组成.x 与y 方向均为主流动方向.在y 速度图上,在三角形处速度分布仍呈抛物面

18、型,由于在矩形处另一股流体的加入及2股流体的再次分离,在x 方向上图的左部与右部分别出现速度较大的区域.其实验结果回流区则比较集中,出现在截面的中部.x 方向的最大速度与y 方向的最大速度基本相等.而z 方向的速度分量与x 、y 方向分量相比数值较小, 但计算与实验的速度分布趋56112006年10月刘春江等:规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学势在该方向上相差较大.图7为第4切面速度分布,该切面位于交叉部位的上部,即2股流体将要发生分离的部位.y 方向占主要流动,y 方向的速度从壁面到中心处速度仍然是逐渐增大,在中心处达到最大值,CF D 计算与实验所得结果的分布与范围相近.截面4与截面

19、3的流动相比,x 方向上的流动趋势存在相似之处,但CF D 计算与实验结果速度范围相差较大.从实验结果看z 方向的分量较小,在截面中心处为正值,在尖端和壁面处速度则变为负值,与CF D 计算的流动趋势不相同.图8为第5切面速度分布,该切面已离开交叉部位,2股流体已发生分离.从CF D 结果看,y 方向上的速度分布仍呈抛物面型分布,与实验结果相似,但在x 和z 方向上的计算与实验结果差别较大 .4填料单元内混合过程的CFD 模拟通过质量传递方程和流体力学模型联立求解,可以计算填料单元内的混合过程,采用计算流体力学方法对示踪剂的脉冲实验进行了模拟,得到示踪剂在出口处的RT D 曲线,以此研究规整填

20、料特征单元内的混合行为.其中示踪剂质量传递方程为55t (B+(u B =-(D e B +R +S D e =D l +D t6611天津大学学报第39卷第10期2006 年 10 月 刘春江等 : 规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学 1167 其中 ,湍流扩散系数根据施密特类似律来计算 . t D t = ct S 为了定量研究流体在不同速度下的不同出口的轴 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 (入口 1 处注入示踪剂 , 使用非稳态计算 模型计算 NaC l示踪剂在填料单元内的传质过程 ,并分 别在填料单元的两个出口处监视示踪剂浓度随时间的 变化情况

21、,得出单元出口处示踪剂的 RTD 曲线 . 不同 速度下示踪剂在不同出口处的 RTD 曲 线分 别如 图 9 11所示 . 在入口速度为 0. 03 m / s 时 , 出口 2 的 图 RTD 曲线的出峰时间要早 , 同时拖尾时间比较长 . 在 12 是根据一维混合一维流动返混模型拟合得 图 到的轴向返混系数 . 从图中可以明显地看出 ,轴向返混 系数随着表观液速的增大而增大 , 但流体在不同出口 的轴向返混系数基本一样 . 入口速度为 0. 379 m / s、 758 m / s时 ,出口 1 的 RTD 0. 曲线的出峰时间要早 ,同时拖尾时间比较长 . 图 12 液相轴向返混系数 F

22、 ig. 12 Ax ia l backm ix i g coeff ic ien t of liqu id pha se n 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 (入口 1 处 连续注入 NaC l水溶液 ,另一个入口 (入口 2 则连续注 入与入口 1 相同速度的清水 . 计算其在单元内的浓度 分配 ,并分别在 2 个出口处计算溶液中 NaC l的质量分 数 (图 13 . 从中可以看出 ,在低流速下 ,出口 2 的 NaCl 浓度大于出口 1 的浓度 ,随着流速的增加 ,两出口浓度 图 9 入口速度为 0. 03 m / s时 RTD 曲

23、线 F ig. 9 Concen tra tion of in put tracer ( u = 0. 03 m / s 逐渐相同 ,当流速超过 0. 4 m / s之后 ,出口 1 的浓度大 于出口 2 的浓度 ,说明液体流速对流体的浓度分配有 非常大的影响 . 图 10 入口速度为 0. 379 m / s时 RTD 曲线 F ig. 10 Concen tra tion of in put tracer ( u = 0. 379 m / s 图 13 NaC l的质量分数 F ig. 13 M a ss fraction of NaC l 5 结 语 对重整化 RNG k 2 模型下的计

24、算结果与实验结 果的比较发现 ,计算结果与实验结果在主流动方向上 的速度分布趋势基本一致 , 但在非主流动方向上计算 图 11 入口速度为 0. 758 m / s时 RTD 曲线 F ig. 11 Concen tra tion of in put tracer ( u = 0. 758 m / s 结果却与实验结果有较大的差别 , 说明在特征单元的 计算中仅仅采用该湍流模型是不完善的 , 需做进一步 1168 天 39 卷 10 期 津 大 学 学 报 第 第 dustry and Eng ineering, 1986, 37 ( 4 : 402 411 ( in Chi2 的改进 . 用

25、示踪剂作定量分析 ,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相等 . 而且流体 在进入不同入口后 ,再分配情况不同 ,与速度有非常大 的关系 . 符号说明 : g 重力加速度 , m / s ; k 湍动能 , m / s ; p 压力 , Pa; 2 2 2 nese . 4 , 刘春江 , 唐忠利 ,等 . 规整填料塔内气相流动的 张 鹏 计算流体力学模拟 J . 天津大学学报 , 2005, 38 ( 6 : 503 507. 5 , 刘春江 , 袁希钢 ,等 . 规整填料塔液相流动的计 张 鹏 1373. -3 p 压

26、降 , Pa; R e 液相雷诺数 , R e = S dh / , dh = 7. 456 u 10 u 液相速度 , m / s; u i i2 向速度 , m / s; 方 i 坐标 i; 算流体力学模拟 J . 化工学报 , 2004, 55 ( 8 : 1369 m; 液相黏度 , Pa s; J ou rna l of Chem ica l Industry and Eng ineering, 2004, 55 (8 : t 液相湍动黏度 , Pa s; D e 示踪剂有效扩散系数 , m / s; D l 示踪剂层流扩散系数 , m / s; D t 示踪剂湍流扩散系数 , m

27、/ s; S 示踪剂源相 , kg/ (m s ; S ct 湍流施密特数 ; 3 2 2 2 1369 1373 ( in Chinese . 6 Hodson J S, Fletcher J R , Porter K E. Fluid mechanical studies of structured distillation packings J . I Chem E S ym p S er D ist A nd A bsp, 1997, 142 ( 2 : 999 1007. 7 Petre C F, Larachi F, Iliuta I, et al Pressure drop th

28、rough . nis s by CFD modeling J . Chem Eng S ci, 2003, 58 ( 1 : m 液体密度 , kg/m3 ; 质量分数 , 0 /. 0 163 177. 3 B 示踪剂 B 质量浓度 , kg /m ; 下标 : t 湍流 ; l 层流 ; e 有效值 . 参考文献 : 1 Hoke P J, W esselingh J A , Zuiderweg F J. Small scale and large scale liquid maldistribution in packed columns J . Chem Eng R es D es,

29、 1986, 64 (6 : 431 449. 2 Danziger R. Sim ulating the turbulent m ixing p rocess in a static m ixing element J . S u lzer Tech R ev, 1978, 60 ( 1 : 1 10. 3 徐崇嗣 ,楼建中 ,姜庆泉 . 金属板波纹填料液流分布的研 究 J . 化工学报 , 1986, 37 (4 : 402 411. Xu Chongsi, Lou J ianzhong, J iang Q ingquan. L iquid distribu2 tion in corrug

30、ated metal sheet J . J ou rna l of Chem ica l In 2 8 van Gulijk C. U sing computational fluid dynam ics to calcu2 late transversal dispersion in a structured packed bed J . Com pters Chem Eng, 1998, 22 (1 : 767 770. 9 van Baten J M , Krishna R. L iquid 2 phase mass transfer w ith2 dynam ics sim ulations J . Ca ta lysis Today, 2001, 69 ( 1 / 4 : 371 377. 10 B aten J M , Krishna R. R