□ 郭建章 □ 孫書強 □ 趙祥迪
1.青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061
2.中國石化安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室 山東青島 266071
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,重大環(huán)境污染事件頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計,我國環(huán)境污染和破壞事件每年發(fā)生 1 440~2 000件[1],對人們的生命財產(chǎn)安全造成了重大威脅。其中,二氧化硫或硫化氫等危險氣體泄漏所造成的污染事件危害大、范圍廣、處理難度大。傳統(tǒng)氣液吸收裝置以塔裝置為主,具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作便利、運轉(zhuǎn)可靠、能耗小等優(yōu)點,但塔內(nèi)氣液兩相的相對運動速度及相界面更新速度較慢,導致裝置的生產(chǎn)能力和傳質(zhì)效率較低[2],因而塔裝置難以應(yīng)對上述污染事件。20世紀80年代末,超重力裝置的問世提高了氣液傳質(zhì)效率,但其能耗高,且穩(wěn)定性與可靠性較差[3],同樣不適于處理上述污染事件。因此,需要開發(fā)一種新型高效處理裝置,用以應(yīng)對上述污染事件。
旋流吸收器在除塵、分離方面的應(yīng)用已有上百年的歷史[4],近年來開始作為反應(yīng)裝置使用[5]。 旋流產(chǎn)生的離心力場具有強化傳熱、傳質(zhì)的作用[6],雙筒旋流吸收器基于旋流強化傳質(zhì)原理,采用內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu),既充分發(fā)揮旋流強化傳質(zhì)的作用,又增加氣液接觸時間,從而達到高效吸收的目的。旋流吸收器作為一種靜裝置,其結(jié)構(gòu)簡單,運行穩(wěn)定可靠。筆者借助FLUENT軟件,對雙筒旋流吸收器的流場進行分析,研究了不同內(nèi)筒直徑對裝置性能的影響,為裝置的進一步優(yōu)化及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主體由內(nèi)外兩個圓筒組合而成,外筒采用切向進氣,內(nèi)筒采用兩個180°蝸殼引導進氣,相當于兩個旋流吸收器串聯(lián)組合。在外側(cè)的環(huán)形空間內(nèi)布置上下相對的三組噴嘴,內(nèi)側(cè)布置上下兩個噴嘴。裝置運行時,吸收液由噴嘴噴出,形成霧化液滴,同時待處理氣體沿外筒壁從上部切向進入,受到器壁的約束,氣流由直線運動變?yōu)閳A周運動,在環(huán)形空間內(nèi)形成旋流。當氣體旋轉(zhuǎn)運動到裝置底部時,經(jīng)蝸殼引導進入內(nèi)筒。在內(nèi)筒對待處理氣流進行二級吸收,同時完成除霧,最后由出口排出。
旋流吸收器內(nèi)部流場屬于三維強旋流,具有強烈的非均勻性和各向異性特點。基于此,筆者選用基于各向異性的雷諾應(yīng)力模型。雷諾應(yīng)力模型通過求解雷諾應(yīng)力輸運方程來封閉基本方程,可以計算各獨立的雷諾應(yīng)力分量,對旋轉(zhuǎn)流動具有良好的預測效果。
▲圖1 雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)
噴嘴霧化的液滴體積相對于待處理氣體所占比例遠小于10%,因此選用離散相模型描述液滴運動,優(yōu)點在于計算簡單,當顆粒有較復雜的變化經(jīng)歷時,能較好地追蹤顆粒的運動。
旋流吸收器內(nèi)液滴影響連續(xù)相湍流的分布,模擬中要注意氣相與液滴的相互作用,因此考慮連續(xù)相與離散相之間的雙向耦合。
雙筒旋流吸收器的內(nèi)筒直徑是影響裝置性能的關(guān)鍵參數(shù),筆者設(shè)置內(nèi)筒直徑Di變化范圍為160~240 mm,其余雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。利用ICEM CFD軟件進行前處理,由于雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)比較復雜,因此采用分區(qū)網(wǎng)格劃分方法,劃分約100萬個六面體網(wǎng)格單元[7]。圖2所示為內(nèi)筒直徑200 mm的雙筒旋流吸收器網(wǎng)格劃分。
表1 雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)
入口邊界設(shè)置為沿入口截面法向速率27.5 m/s,湍流強度3.65%。出口處流動已充分發(fā)展,因此設(shè)置出口邊界時,除壓力外的物理量在出口截面處法向梯度均為0。采用無滑移邊界,壁面粗糙度設(shè)置為0.5,近壁面采用標準壁面函數(shù)法處理。離散相邊界條件設(shè)置為液滴接觸到壁面即停止跟蹤。
連續(xù)相為不可壓縮空氣,密度為1.225 kg/m3,動力黏度為1.789 4×10-5Pa·s。 離散相為液態(tài)水,壓力速度耦合采用Simple算法,壓力插補格式采用Presto!,其它項采用Quick離散格式。
▲圖2 雙筒旋流吸收器網(wǎng)格劃分
吸收液與待處理氣體接觸越充分,液相分布越均勻,就越有利于吸收。采用標準偏差因數(shù)Cv表征裝置內(nèi)液相均布程度[8]:
式中:xi為測點參數(shù)值;σ為標準偏差。
環(huán)形空間內(nèi)噴嘴數(shù)量多,空間大,屬于吸收氣體的主要區(qū)域,應(yīng)充分考察內(nèi)筒直徑對環(huán)形空間內(nèi)液相均布程度的影響。計算標準偏差因數(shù)時,考察噴霧充分展開的區(qū)域,且取多個面求平均值。由于內(nèi)外噴嘴布置高度不同,因此選取不同截面考察液相分布情況。圖3與圖4所示分別為環(huán)形空間與內(nèi)筒的液相分布情況,可知隨著內(nèi)筒直徑的增大,環(huán)形空間中噴霧覆蓋效果逐漸變差,而內(nèi)筒中噴霧均能較好地覆蓋整個截面。
標準偏差因數(shù)曲線如圖5所示,可知環(huán)形空間內(nèi)的液相均布程度隨內(nèi)筒直徑的增大而降低,且內(nèi)筒直徑大于200 mm后,液相均布程度下降較快,這主要是因為幾何因素的影響。噴嘴始終均布于環(huán)形空間中部,環(huán)形空間隨內(nèi)筒直徑增大而減小,使大量噴霧直接觸壁形成壁流,而當內(nèi)筒直徑增大到一定程度后,實心錐形噴霧對空間的覆蓋效果降低,使液相均布程度迅速下降。
內(nèi)筒的液相均布程度隨內(nèi)筒直徑增大而提高,這主要是因為內(nèi)部流場變化的影響。內(nèi)筒直徑增大,而排氣管直徑不變,由于旋流場中的最大切速度面與排氣管的假想延長面基本重合[9],在離心力的作用下,內(nèi)筒中部液相濃度高而外圍濃度低,因此內(nèi)筒液相均布程度隨內(nèi)筒直徑增大而提高。
可見,內(nèi)筒直徑不宜大于200 mm,這樣才能保證環(huán)形空間中氣相與液相的充分接觸,且內(nèi)筒液相均布較好,可避免處理空間的浪費,提高裝置性能。
二次流是普遍存在于自然界及流體工業(yè)過程中的一種現(xiàn)象,數(shù)值仿真結(jié)果表明,外側(cè)的環(huán)形空間中存在向上旋轉(zhuǎn)運動的二次流,如圖6所示。二次流占據(jù)一定的處理空間,會降低裝置的效率。
旋流場內(nèi)靜壓徑向梯度大,軸向梯度小,氣流軸向運動的阻力較小,旋轉(zhuǎn)氣流運動到裝置底部后,受到裝置下端面的阻擋而反彈,具有向上運動的趨勢。此外,相對于環(huán)形空間,內(nèi)筒進氣口面積有限,部分旋轉(zhuǎn)氣流不能及時進入內(nèi)筒而向上運動,在環(huán)形空間中形成二次流。
如圖 7所示,較大的內(nèi)筒直徑可以使二次流面積減小。這是由于氣流運動到裝置底部后繼續(xù)向內(nèi)加速旋轉(zhuǎn)運動,內(nèi)筒直徑越小,加速過程越顯著,不能及時進入內(nèi)筒的氣流就越多,二次流現(xiàn)象也就越明顯。
▲圖3 環(huán)形空間液相濃度分布情況
▲圖4 內(nèi)筒液相濃度分布情況
▲圖5 標準偏差因數(shù)曲線
▲圖6 二次流示意圖
▲圖7 二次流面積曲線
壓降是評價裝置性能的重要指標,優(yōu)化裝置時,應(yīng)選擇能耗少、壓降低的結(jié)構(gòu),以節(jié)約運行成本。如圖8所示,隨著內(nèi)筒直徑的增大,壓降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
▲圖8 壓降曲線
旋流吸收器壓降的產(chǎn)生原因是多方面的,從能量角度分析,氣流高速旋轉(zhuǎn)引起的旋轉(zhuǎn)動能損失與排氣管內(nèi)的能量損失占較大比重[10]?;陔p筒旋流吸收器的結(jié)構(gòu),內(nèi)筒可視為獨立的旋流吸收器,其直徑小,且氣速遠高于外側(cè)。排氣管位于內(nèi)筒,內(nèi)筒中的旋轉(zhuǎn)動能損失與排氣管內(nèi)的能量損失占總損失的比重較大,是裝置壓降的主要來源。數(shù)值模擬時,排氣管直徑不變而內(nèi)筒直徑增大,排氣管與內(nèi)筒直徑比減小,使內(nèi)筒中的旋流得到加強,旋流吸收器內(nèi)部氣速提高[11],旋轉(zhuǎn)動能損失增加,使壓降增大。但內(nèi)筒直徑增大到一定程度后,氣流因旋轉(zhuǎn)半徑增大而速度降低,旋轉(zhuǎn)動能損失減小,因此壓降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
筆者研究了內(nèi)筒直徑對雙筒旋流吸收器內(nèi)液相均布程度、二次流及壓降的影響,主吸收區(qū)域環(huán)形空間內(nèi)的液相均布程度及二次流均隨內(nèi)筒直徑增大而降低,內(nèi)筒中液相均布程度則隨內(nèi)筒直徑增大而提高,裝置壓降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。綜合各因素,內(nèi)筒直徑為200 mm時,能保證良好的液相均布程度,使二次流現(xiàn)象較弱、壓降較低,在低能耗工況下實現(xiàn)旋流場內(nèi)氣液相的良好接觸,使裝置性能最優(yōu)。