陳光輝，祝華騰，郭秀玲，王偉文，李建隆

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

鼓泡破泡一體化高效精餾塔盤流動(dòng)特性與CFD模擬

陳光輝，祝華騰，郭秀玲，王偉文，李建隆

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

就痕量精餾中塔板傳質(zhì)效率低、需強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的問題，研究者提出了新型鼓泡破泡一體化高效精餾塔盤，通過在篩板上泡沫層高度范圍內(nèi)設(shè)置一層破泡裝置，打破大氣泡，減小氣泡體積，強(qiáng)制界面進(jìn)行更新，從而提高傳質(zhì)效率。采用雙歐拉模型分別對(duì)鼓泡破泡一體化塔盤和篩板進(jìn)行了氣液流場(chǎng)的數(shù)值模擬，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)比兩種塔板的計(jì)算結(jié)果可以看出：在相同操作條件下，破泡裝置將大氣泡破裂成無數(shù)小氣泡，使高氣含率區(qū)域面積較普通篩板進(jìn)一步增大，且氣含率梯度變化更均勻；增加破泡裝置后，在相同氣速條件下氣泡上升速度下降，氣體在液層中的滯留時(shí)間延長，使鼓泡層高度增加，可顯著提高傳質(zhì)效率，且降低了氣體霧沫夾帶量；破泡裝置還明顯改善了氣相的縱向分布，氣含率由塔板底部向上逐漸增大且存在明顯分界；破泡裝置附近湍動(dòng)較劇烈，氣泡破碎噴出的氣體會(huì)進(jìn)一步撕裂液膜，氣體破碎作用會(huì)抑制氣泡聚并，促進(jìn)界面的快速更新更有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。研究結(jié)果可對(duì)工業(yè)塔板設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

數(shù)值模擬；氣泡；篩板塔；氣液兩相流；氣含率

引 言

板式塔[1-5]具有結(jié)構(gòu)簡單、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥等行業(yè)。塔板是氣液兩相接觸并進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱的場(chǎng)所，研究人員一直致力于開發(fā)大通量、高傳質(zhì)效率的新型塔板，如固閥塔板[3]、船型浮閥塔板[6]、霧化概念塔板[7]、垂直篩板[8-9]等。還有學(xué)者在篩板結(jié)構(gòu)改進(jìn)及塔板流體力學(xué)性能測(cè)試上做了大量的研究[10-12]。

隨著近代石油化工、精細(xì)化工、生物化工等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)混合物的分離提出了更高的要求，特別是對(duì)于分離精度要求很高的痕量精餾領(lǐng)域。普通篩板會(huì)因大氣泡存在而降低氣液接觸面積，增大霧沫夾帶，最終使板效率大打折扣。就痕量精餾時(shí)如何克服塔板傳質(zhì)效率低，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的問題，青島科技大學(xué)開發(fā)了一種新型氣液傳質(zhì)塔板[13]，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由塔板、支撐件和破泡組件組成。設(shè)置為立式，首先在分塊塔盤邊緣開孔，用雙面可拆螺栓固定支撐件，并將破泡組件固定在支撐件上。通過在篩板泡沫層內(nèi)設(shè)置一層破泡裝置，打破大氣泡，減小單個(gè)氣泡體積，強(qiáng)制界面進(jìn)行更新，從而提高傳質(zhì)效率[14]。

圖1 鼓泡破泡一體化塔盤結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of renormalization microscale tray

目前，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）已被廣泛應(yīng)用于塔板上氣液兩相流動(dòng)和傳質(zhì)性能的模擬計(jì)算[15-18]。本文將進(jìn)行鼓泡破泡一體化塔盤和篩板的氣液流場(chǎng)數(shù)值模擬，討論鼓泡破泡一體化塔盤對(duì)篩板上氣含率及氣相速度分布的影響，研究結(jié)果可為新型塔板設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型與參數(shù)設(shè)定

1.1 數(shù)學(xué)模型

不同于單相模型和混合模型，雙歐拉模型假設(shè)兩種湍流流體在時(shí)間上共存，可視為互相穿透的連續(xù)介質(zhì)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵從各自的控制微分方程，并且兩種流體間存在動(dòng)量、能量以及質(zhì)量的相互作用，對(duì)兩相間作用的描述更為全面具體，更加符合精餾塔板上氣液兩相的實(shí)際流動(dòng)狀況[15,18]。本CFD計(jì)算基于雙歐拉模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，模擬所用的主要方程組見式(1)～式(4)。

第i相的連續(xù)性方程

第i相的動(dòng)量方程

相間動(dòng)量轉(zhuǎn)化方程

初邊值條件的選取如下。

氣體進(jìn)口：

速度邊界條件

液體進(jìn)口：

速度邊界條件

氣體出口：

壓力邊界條件

液體出口：

壓力邊界條件

塔板中心面（對(duì)稱面）邊界條件

壁面邊界條件：設(shè)為無滑脫邊壁條件，各方向速度為零，即ui,q=kq=εq=0。

1.2 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)定

篩板和鼓泡破泡一體化塔盤的物理模型均設(shè)為內(nèi)徑120 mm、高110 mm的圓形塔段，堰高74 mm，篩孔直徑φ5 mm，開孔率9.5%。流速較高時(shí)，慣性力為最初氣泡大小的控制因素[19]。本研究中將破泡裝置簡化為一層多孔篩網(wǎng)，理論上較小的篩網(wǎng)孔徑與絲徑更有利于打破大氣泡，減小單個(gè)氣泡體積，但為減少計(jì)算量，在建立物理模型時(shí)設(shè)置篩網(wǎng)孔徑3 mm、絲徑1 mm。利用塔板結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只計(jì)算一半?yún)^(qū)域，模型如圖2所示。計(jì)算網(wǎng)格主要采用六面體，部分采用楔形網(wǎng)格。以清液層高度[20-21]為判別標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了網(wǎng)格獨(dú)立性。隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多，模擬值與實(shí)驗(yàn)值越接近，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，篩板模型劃分網(wǎng)格數(shù)量為575300，鼓泡破泡一體化塔盤模型劃分網(wǎng)格數(shù)為591541。

近壁面采用 FLUENT的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。對(duì)于邊界條件，氣體與液體入口均為速度入口，出口為壓力出口，壁面設(shè)定為無滑移邊界。時(shí)間項(xiàng)采用隱格式，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合方程選用Simple算法，時(shí)間步長為0.002 s。Wang等[22]在表觀氣速為 0.233m?s-1、液流強(qiáng)度為0.77 m3?h-1?m-1、清液層高度為 0.012 m 的操作條件下利用 CCD高速攝像對(duì)氣泡圖像進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)了塔板上氣泡徑向分布情況，由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到剛過孔的氣體產(chǎn)生的氣泡直徑大約為0.03 m。因此本文模擬中設(shè)置的初始分散相采用均一氣泡尺寸，且設(shè)置氣泡直徑為0.03 m。

2 結(jié)果與討論

2.1 清液層高度

Krishna[23]、Van Baten[24]、Getye 等[25]都曾采用板上清液層高度驗(yàn)證塔板氣液兩相 CFD模型的準(zhǔn)確性。本文亦采用實(shí)驗(yàn)所測(cè)清液層高度[14]作為CFD模型的可靠性驗(yàn)證指標(biāo)。圖3為在表觀氣速為0.233 m?s-1，液流強(qiáng)度為 0.77 m3?h-1?m-1的操作條件下，模擬得出的清液層高度隨時(shí)間的變化，從圖中可以看出t=3 s后計(jì)算收斂，模擬計(jì)算得到的清液層高度為計(jì)算收斂后一段時(shí)間內(nèi)的平均值。

圖2 篩板和鼓泡破泡一體化塔盤模型Fig.2 Models of sieve tray and renormalization microscale tray

圖3 篩板清液層高度隨時(shí)間的變化Fig.3 Transient clear liquid height of sieve tray changing over time

圖4是清液層高度模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，從圖可以看出模擬值比實(shí)驗(yàn)值偏大，原因在于本文的曳力模型更適合計(jì)算中等氣泡群所受曳力，相間作用力考慮不全面使得預(yù)測(cè)值偏大。但模擬值能較好地反映清液層高度受表觀氣速的影響趨勢(shì)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為 18.1%，模擬結(jié)果可信。

圖4 清液層高度模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.4 Comparison of experimental clear liquid height with results of CFD simulation

2.2 流場(chǎng)分析

分別模擬了非穩(wěn)態(tài)下的篩板和鼓泡破泡一體化塔盤在40 s內(nèi)的流動(dòng)狀況，鑒于模型在較高表觀氣速下誤差較小，3 s后計(jì)算就可以收斂，選取了t=10 s，表觀氣速為0.233 m?s-1時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖5給出了篩板上不同高度橫截面的氣含率分布。從圖可以看出，塔板底部的孔上氣體噴射形成氣錐，氣錐內(nèi)的氣相近似連續(xù)相，受錯(cuò)流影響，篩孔處氣相速度傾斜向上，氣含率的分布隨著軸向高度的增加而增大，液層內(nèi)可認(rèn)為氣相是分散相，而在泡沫層之上，脫離液相的氣相又變?yōu)檫B續(xù)相，泡沫層是氣液傳質(zhì)的主要場(chǎng)所。液相入口處（Z=0 mm截面），由于氣流提升大量液體，周圍液體不斷補(bǔ)充過來，使氣相受到液相的沖擊作用，導(dǎo)致上升的氣流向X正向運(yùn)動(dòng)，最終不同篩孔上升的氣流發(fā)生碰撞混合，在Z=3 mm截面形成了4個(gè)鼓泡劇烈、含氣率較高的區(qū)域。隨著高度的增加，氣含率較高的區(qū)域越來越集中在液相出口附近和弓形回流區(qū)，這是液相流動(dòng)的推動(dòng)和回流作用的結(jié)果。

圖5 篩板不同高度橫截面上的氣含率分布Fig.5 Distribution of gas hold-up in different height on sieve tray

圖6是篩板上不同高度截面上的氣液兩相速度矢量分布圖?？梢钥闯觯瑲庀嗍艿揭合嗥酵屏Φ挠绊?，流動(dòng)方向?yàn)閄正向，類似平推流。由于液相主流區(qū)和滯流區(qū)之間存在明顯的速度差，主流區(qū)高速液體對(duì)弓形區(qū)低速液體產(chǎn)生剪切作用，所以弓形區(qū)和液相出口附近（圖中局域1、2、3、4所示）存在回流區(qū)。氣泡附近的液相受氣泡上升的作用，流動(dòng)方向比較復(fù)雜，且主流方向豎直向上。隨著高度增加，液層中氣泡直徑也不斷增大，當(dāng)氣體的能量不足以克服其上部阻力時(shí)，氣泡便會(huì)破裂，破碎成的小氣泡和液體混合形成泡沫層。泡沫層也是氣液分離區(qū)域，沒有絕對(duì)的連續(xù)相和分散相，不能被氣相夾帶的液體回落到塔板上，余下部分被氣相夾帶出泡沫層。

圖6 篩板不同Z平面氣相速度場(chǎng)Fig.6 Gas velocity field along different Z plane on sieve tray

圖7 篩板與鼓泡破泡一體化塔盤Z=30 mm平面上的氣含率分布Fig.7 Distribution of gas hold-up in Z=30 mm on renormalization microscale tray

2.3 鼓泡破泡一體化塔盤對(duì)氣相體積分率的影響

鼓泡破泡一體化塔盤系在篩板Z=30 mm處設(shè)一層破泡裝置，為了研究鼓泡破泡一體化塔盤對(duì)氣含率的影響，比較了兩種塔板在Z=30 mm截面上的氣相體積分率，如圖7所示，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，設(shè)置破泡裝置后高氣含率區(qū)域的傳質(zhì)面積較普通篩板進(jìn)一步增大。破泡裝置除增大氣液接觸面積外，還可更新傳質(zhì)相界面，增大傳質(zhì)推動(dòng)力；同時(shí)大氣泡破裂成小氣泡后，單個(gè)小氣泡體積小，所受浮力較小，因而與大氣泡相比，在相同氣速條件下氣泡上升速度下降，在液層中的滯留時(shí)間延長，使鼓泡層高度增加，可顯著提高傳質(zhì)效率。且小氣泡破裂時(shí)氣相動(dòng)量低，氣體霧沫夾帶量少。

2.4 鼓泡破泡一體化塔盤對(duì)平面氣相速度場(chǎng)的影響

Wang等[22]在表觀氣速為 0.233 m?s-1、液流強(qiáng)度為 0.77 m3?h-1?m-1、清液層高度為 0.012 m 的操作條件下利用CCD高速攝像對(duì)氣泡圖像進(jìn)行了分析，分別選取了Z1=0.02 m、Z2=0.05 m、Z3=0.08 m 3個(gè)高度，分析了塔板上氣泡徑向分布情況，如圖8所示。通過對(duì)比塔板的氣泡分布發(fā)現(xiàn)，鼓泡破泡一體化塔盤上氣泡平均直徑的分布范圍從篩板塔的20～58 mm降低至1～3 mm，表明破泡裝置有效打破了較大氣泡，顯著減小了氣泡尺寸。

兩種塔板在Y=0平面氣液兩相速度矢量如圖9所示，由圖可知，破泡裝置通過打破大氣泡顯著降低了氣體上升速度，增加了氣液的碰撞和湍動(dòng)強(qiáng)度，延遲了氣相脫離自由界面的時(shí)間。破泡裝置還明顯改善了氣相的縱向分布，氣含率由塔板底部向上逐漸增大且存在明顯分界。隨著軸向高度的增加，氣相速度減小，大部分液相回落到液層中，只有少部分液體被氣相帶走，破泡裝置附近湍動(dòng)強(qiáng)度較大，大氣泡破裂噴出的氣體會(huì)進(jìn)一步撕碎液膜，增大泡沫層高度；同時(shí)氣體破碎作用亦會(huì)抑制氣泡聚并，促進(jìn)界面的快速更新，更有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。出口堰的阻擋使得氣相速度轉(zhuǎn)而向上，與篩板比較，鼓泡破泡一體化塔盤液相出口夾帶的氣相也有所減少。

圖8 篩板與鼓泡破泡一體化塔盤中不同軸向高度氣泡平均直徑分布Fig.8 Sieve plate and renormalization microscale tray in different axial height of average diameter of bubble distribution

圖9 Y=0平面氣相速度場(chǎng)對(duì)比Fig.9 Comparison of gas velocity field at flat in Y=0

在分離精度要求很高的痕量精餾中普通篩板的板效率會(huì)大打折扣，究其原因在于，篩板形成的氣泡較大，嚴(yán)重阻礙了氣液相接觸，相間傳質(zhì)通量大打折扣，Murphree效率很低。李蘇雅[14]研究表明：無論篩板的板效率高低，微尺度板的板效率始終在0.9以上，工業(yè)生產(chǎn)中篩板塔的塔板效率一般在0.7～0.8范圍內(nèi)，若是用微尺度板代替之，板效率將增長1.25～1.43倍，Murphree效率接近1。

3 結(jié) 論

針對(duì)痕量精餾中克服塔板傳質(zhì)效率低、強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的問題，研究者通過在篩板上泡沫層高度范圍內(nèi)設(shè)置一層破泡裝置，用以打破大氣泡，減小氣泡體積，強(qiáng)制界面進(jìn)行更新，從而提高傳質(zhì)效率。本文采用雙歐拉模型對(duì)兩種不同塔板氣液流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論。

（1）利用實(shí)驗(yàn)所測(cè)清液層高度驗(yàn)證了模擬的可靠性，結(jié)果表明模擬值能較好反映清液層高度受表觀氣速的影響趨勢(shì)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為18.1%，模擬結(jié)果可信。

（2）通過對(duì)比氣相體積分率圖可以得出，在相同操作條件下，破泡裝置將大氣泡破裂成無數(shù)小氣泡，使高氣含率區(qū)域面積較普通篩板進(jìn)一步增大，且氣含率梯度變化更均勻；大氣泡破裂成小氣泡后，在相同氣速條件下氣泡上升速度下降，氣體在液層中的滯留時(shí)間延長，使鼓泡層高度增加，可顯著提高傳質(zhì)效率。且小氣泡破碎時(shí)氣相動(dòng)量低，降低了氣體霧沫夾帶量。

（3）對(duì)比氣液兩相速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，破泡裝置明顯改善了氣相的縱向分布，氣含率由塔板底部向上逐漸增大且存在明顯分界。破泡裝置附近湍動(dòng)強(qiáng)度較劇烈，氣泡破碎噴出的氣體會(huì)進(jìn)一步撕裂液膜，氣體破碎作用會(huì)抑制氣泡聚并，促進(jìn)界面的快速更新，更有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。

符 號(hào) 說 明

Ahole——孔面積，m2

C——堰常數(shù)

CD——曳力系數(shù)

d0——?dú)馀葜睆剑琺

g——重力加速度，9.81 m·s-2

hap——降液管底隙高度，m

hd——清液層高度，m

k——湍動(dòng)能，m2·s-2

lw——溢流堰長，m

MG,L——?jiǎng)恿吭聪啵琋·m-3

Nh——孔個(gè)數(shù)

Q——流量，m3·s-1

t——時(shí)間，s

US——空塔氣速，m·s-1

u——速度，m·s-1

Vslip——?dú)庖簝上嚅g滑移速度，m·s-1

x,y,z——x、y、z坐標(biāo)軸，m

Z——塔板高度，m

αaverage——相平均體積分?jǐn)?shù)

?——湍流耗散率，m2·s-3

μeff——有效動(dòng)力黏度，Pa·s

ρ——相密度，kg·m-3

下角標(biāo)

G——?dú)庀?/p>

i——第i個(gè)量

L——液相

q——?dú)庀嗷蛞合?/p>

[1]FRYBACK M G,HUFNAGEL J A.Distillation-equipment design[J].Industrial & Engineering Chemistry,1960,52(8)：654-661.

[2]姚克儉,章淵昶,王良華,等.新型高效大通量 DJ系列塔板的研究與工業(yè)應(yīng)用[J].化工進(jìn)展,2003,22(3)：228-232.YAO K J,ZHANG Y C,WANG L H,et al.Research and applications of high efficiency and high capacity DJ series tray[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2003,22(3)：228-232.

[3]付有成,王崇智.板式塔精餾技術(shù)進(jìn)展[J].石化技術(shù)與應(yīng)用,2000,18(4)：231-236.FU Y C,WANG C Z.Progress in rectification technology of tray column[J].Petrochemical Technology & Application,2000,18(4)：231-236.

[4]王少鋒,項(xiàng)曙光.浮閥塔板最新應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(7)：1677-1683.WANG S F,XIANG S G.Application and research progress of valve trays[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2014,33(7)：1677-1683.

[5]路秀林,劉秀囡,趙培.導(dǎo)向浮閥塔板：91215110.2[P].1991-02-02.LU X L,LIU X N,ZHAO P.Guided float valve tray：91215110.2[P].1991-02-02.

[6]趙景芳,段道順,趙朝成.HTV船型浮閥塔板的流體力學(xué)及傳質(zhì)性能研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1988,(1)：93-100.ZHAO J F,DUAN D S,ZHAO Z C.A study on hydrodynamics and mass transfer of HTV-ship valve tray[J].Journal of China University of Petroleum (Natural Science Edition),1988,(1)：93-100.

[7]CONG H F,LI X G,LI Z J,et al.Combination of spiral nozzle and column tray leading to a new direction on the distillation equipment in novation[J].Separation and Purification Technology,2016,158(28)：293-301.

[8]杜冬云,方云進(jìn),肖博文.新型垂直篩板塔研究的進(jìn)展[J].石油化工,1998,27(5)：374-378.DU D Y,FANG Y J,XIAO B W.Research progress of new type of vertical sieve plate tower[J].Petrochemical Technology,1998,27(5)：374-378.

[9]呂建華,劉繼東.立體傳質(zhì)塔板 CTST技術(shù)及其在煉油裝置中的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展,2006,25(s1)：13-16.Lü J H,LIU J D.Technical research of the combined trapezoid spray tray (CTST) and application in the oil refining[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2006,25(s1)：13-16.

[10]楊宏喜.一種新型浮閥塔板傳質(zhì)性能的研究[D].上海：華東理工大學(xué),2012.YANG H X.Research of mass transfer efficiency for a new floating value tray[D].Shanghai：East China University of Science and Technology,2012.

[11]李鑫鋼,劉霞,高鑫,等.新型泡沫碳化硅塔板的流體力學(xué)及傳質(zhì)性能[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2014,47(2)：155-162.LI X G,LIU X,GAO X,et al.Hydrodynamics behavior and mass transfer performance of novel SiC foam trays[J].Journal of Tianjin University(Science and Technology),2014,47(2)：155-162.

[12]GAO X,LI X G,LIU X,et al.A novel potential application of SiC ceramic foam material to distillation：foam monolithic tray[J].Chemical Engineering Science,2015,135：489-500.

[13]王偉文,陳光輝,段繼海,等.一種微氣泡塔盤氣液傳質(zhì)塔板：201521107453.0[P].2016-08-10.WANG W W,CHEN G H,DUAN J H,et al.A micro bubble tray gas-liquid mass transfer plate：201521107453.0[P].2016-08-10.

[14]李蘇雅.精密精餾氣液傳質(zhì)機(jī)理及強(qiáng)化方法研究[D].青島：青島科技大學(xué),2012.LI S Y.Research of gas-liquid mass transfer mechanism and strengthening method in precise distillation[D].Qingdao：Qingdao University of Science and Technology,2012.

[15]KRISHNA R,VAN BATEN J M.Modeling sieve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J].Chemical Engineering Research & Design,2003,81(1)：27-38.

[16]劉江琳,張杰旭,紀(jì)利俊,等.組合導(dǎo)向浮閥塔板的 CFD 模擬及反向流分析[J].化工學(xué)報(bào),2016,67(5)：1701-1709.LIU J L,ZHANG J X,JI L J,et al.CFD simulation and backflow analysis of combined directed valve tray[J].CIESC Journal,2016,67(5)：1701-1709.

[17]JIANG S,GAO H,SUN J S,et al.Modeling fixed triangular valve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J].Chemical Engineering &Processing Process Intensification,2012,52(2)：74-84.

[18]LI X G,LIU D X,XU S M,et al.CFD simulations of hydrodynamics of valve tray[J].Chemical Engineering & Processing Process Intensification,2009,48(1)：145-151.

[19]SHERWOOD T K,PIGFORD R L,WILKE C R.Mass Transfer[M].Beijing：Chemical Industry Press,1988：267.

[20]GETYE G,NANDAKUMAR K,CHUANG K T.CFD modeling of flow patterns and hydraulics of commercial-scale sieve tray[J].AIChE J.,2003,49(4)：910-925.

[21]張朦,張海濤,張杰旭,等.組合導(dǎo)向浮閥塔板多相流的數(shù)值模擬[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2015,31(2)：106-114.ZHANG M,ZHANG H T,ZHANG J X,et al.Numerical simulation of multiphase flow in combined guided valve tray of distillation column[J].Chemical Reaction Engineering and Technology,2015,31(2)：106-114.

[22]WANG W W,LI S Y,LI J L.Experimental determination of bubble size distributions in laboratory scale sieve tray with mesh[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2012,51(20)：7067-7072.

[23]KRISHNA R.CFD simulations of sieve tray hydrodynamics[J].Chem.Eng.Res.Des.,1999,77：639-646.

[24]VAN BATEN J M.Modeling sieve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J].Chem.Eng.J.,2000,77(3)：143-151.

[25]GETYE G,NANDAKUMAR K,CHUANG K T.CFD modeling of flow patterns and hydraulics of commercial-scale sieve tray[J].AIChE J.,2003,49(4)：910-925.

date:2017-03-29.

Prof.LI Jianlong,ljlong@qust.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21276123),the Conversion Program of Scientific and Technological Achievements in Qingdao—the Special People-benefit Project (16-6-2-50-nsh) and the Shandong Provincial Higher Education Science and Technology Program General Project Class A (J17KA107).

Flow characteristics and CFD simulation on a high-efficiency sieve tray with bubble crusher

CHEN Guanghui,ZHU Huateng,GUO Xiuling,WANG Weiwen,LI Jianlong
(College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao266042,Shandong,China)

A high-efficiency sieve tray with bubble crusher was proposed.A layer of bubble crusher device was added in the height range of the foam layer on the sieve tray.The device could decrease the volume of the bubble and force the interphase to renovate,improve mass-transfer efficiency of trays in the trace distillation,and strengthen the gas-liquid mass transfer.The numerical simulation of gas-liquid two-phase flow field is carried out on the micro-bubble tray and sieve tray by Euler-Euler two fluid model,which was verified by test.The results showed that the bubble crusher device can effectively break the large bubbles,which made the gas distribution in those regions characterized by the small fraction of gas volume and evident back-mixing phenomenon more uniform,the regional area with large bubble content larger ,and the gas hold-up distribution was gradient.The bubble crusher device in the foam layer can increase the interfacial area for vapour-liquid contact and residence time,improve the mass transfer efficiency and reduce the gas entrainment.The turbulence intensity near the bubble crusher device was high.The gas sprayed while large bubbles broken will further tear the liquid layer and increase the height of the foam layer,and bubble coalescence was restrained.The quick interphase renovation could enhance mass transfer process.The results can provide guidance for the design and optimization of industrial trays.

numerical simulation; bubble; sieve plate tower; gas-liquid two-phase flow; gas holdup

TQ 053.5

A

0438—1157（2017）12—4633—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170318

2017-03-29收到初稿，2017-08-29收到修改稿。

聯(lián)系人：李建隆。

陳光輝(1979—)，男，博士。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21276123）；青島市科技成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃—科技惠民專項(xiàng)項(xiàng)目（16-6-2-50-nsh）；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃一般項(xiàng)目A類（J17KA107）。