田秀山,丁干紅,彭新文,趙 倩,趙 娜,劉殿華,呂建寧
(1.惠生工程(中國)有限公司 技術(shù)發(fā)展中心,上海 201210;2.華東理工大學 化工學院,上海 200237)
噴霧過程的基本用途之一是通過增大氣液兩相間的接觸面積,從而達到強化傳熱傳質(zhì)速率的目的,因此噴霧技術(shù)尤其適用于汽化過程中過熱度低或存在熱敏性物質(zhì)的情況。噴霧汽化過程的汽化效率與過熱度、停留時間、多相混合等因素有關(guān),諸多研究者對該過程進行了研究。Mujumdar等[1]概述了采用預測模型分析各操作參數(shù)對噴霧干燥過程的影響,并對比了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的計算方法,主要進行了噴霧干燥技術(shù)研究方法的論述。戚嚴文等[2]研究了預測蒸發(fā)速率、停留時間等參數(shù)的方法,主要關(guān)注了干燥過程的操作參數(shù)優(yōu)化;徐瓊輝等[3]分析了冷凝器內(nèi)噴霧汽化換熱和噴淋換熱的效率,指出了前者的優(yōu)勢,但對效率的優(yōu)化未做進一步研究;Liu等[4]研究了空氣的存在對噴霧冷卻器內(nèi)熱傳遞效率的影響,提出了相應(yīng)的預測模型;孫士丹[5]研究了噴霧汽化反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)相流場的分布,并從增大氣液物流分離效率為出發(fā)點,進行了反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;Hou等[6,7]分析了噴嘴數(shù)目、安裝高度、壓力、流量等對散熱熱流密度大小和分布的影響規(guī)律,但未過多關(guān)注汽化室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題。
噴霧汽化器的設(shè)計需要綜合考慮多相間的混合、分布、介質(zhì)的傳熱、汽化時間等因素,達到盡可能提高汽化效率的目的,然而現(xiàn)有研究中較少關(guān)注汽化器內(nèi)各區(qū)域的汽化效率及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。本研究采用CFD方法,研究了噴霧液滴在氣流場中的氣液混合和汽化過程,并基于汽化效率對汽化器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。
圖1是噴霧汽化器的結(jié)構(gòu)示意圖。熱態(tài)氣體從N1管進入,經(jīng)入口處的氣體分布器后進入汽化器流場;冷態(tài)EC液體從N2管引入至內(nèi)部的單流體壓力式噴嘴,噴嘴置于汽化器中心軸線處,氣液流動方式為并流。液體經(jīng)噴嘴霧化后,液滴顆粒與氣體混合傳熱傳質(zhì),完成液滴的升溫、汽化及組分混合過程,并最終由N3口流出。模型的內(nèi)徑D=800 mm,H1=150 mm,H2=200 mm,H3=3100 mm,H4=150 mm, 總高度H=3600 mm,氣體進口和出口管直徑均為80 mm,進口分布器直徑300 mm。
圖1 汽化器物理模型Fig.1 Physical model of vaporizer
上述汽化裝置中的流動屬于典型的受限湍流流動過程,選擇正確的計算模型對計算準確性至關(guān)重要。文獻[8-10]對撞擊流氣流床汽化爐內(nèi)的流動進行了試驗和數(shù)值研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Realizable k-e湍流模型對有回流和旋轉(zhuǎn)流場的計算效果較好。上述汽化裝置的進口氣體分布器附近也存在回流區(qū)域,因此本次模擬也采用Realizable k-e湍流模型進行汽化器內(nèi)連續(xù)相流場的求解。對流項、能量和組分輸運方程的求解均采用Second Order Upwind格式,壓力-速度耦合的求解基于Simple半隱式方法。液滴運動的計算采用DPM模型和非穩(wěn)態(tài)法,時間步長取0.001 s,氣液相雙向耦合,為提高液滴顆粒追蹤精度,Length Scale設(shè)定為1 mm,追蹤顆粒數(shù)約20000個,該顆粒數(shù)遠大于氣流床汽化爐計算中采用的4000個[11]和10000個[12]的研究。采用組分輸運模型計算各組分的濃度分布。殘差收斂標準為10-6。
因汽化器的結(jié)構(gòu)具有軸對稱性,以整體結(jié)構(gòu)的1/4體積進行建模。將氣體進口分布器簡化為一塊擋板,為了防止氣體攜帶液滴顆粒直接離開汽化器,在氣體出口上方100 mm處增加一塊擋板,進出口擋板直徑為300 mm。建立六面體網(wǎng)格,在氣體分布器、噴嘴及出口區(qū)域等梯度變化較大處進行網(wǎng)格加密,計算模型如圖2所示,以進口擋板中心為原點。
圖2 汽化器模型網(wǎng)格分布Fig.2 Vaporizer model grid distribution
氣體進口為Mass-Flow-Inlet,氣體出口為Pressure-Outlet,入口分布器和出口擋板為Wall;氣體進出口的DPM顆粒邊界為Escape,氣體分布器和出口擋板的DPM顆粒邊界為Reflect,其他Wall邊界的DPM顆粒邊界為Trap;操作壓力為3 MPa,重力與z軸負方向一致。噴嘴類型為Solid-Cone,霧化角為80°。求解時,先進行連續(xù)相計算,待收斂后再加入離散相液滴進行兩相耦合計算。
進入汽化器的高溫富氫氣體流量為1069 kg/h,其中各組分物質(zhì)的量分數(shù)為:H293.3%,CO 5.8%,CH3OH 0.5%,CO20.4%。噴霧液體為碳酸乙烯酯,流量125 kg/h,噴霧液滴初始粒徑144 μm,初始溫度58℃,初始速度50 m/s,ANSYS Fluent軟件材料庫中不存在該物質(zhì),因此需人為建立,常壓下性質(zhì)為:熔點38 ℃,沸點248 ℃,密度1313 kg/m3,黏度1.53 mPa·s,表面張力0.0324 N/m,導熱系數(shù)0.1067 kJ/kg,比熱容1.399 kJ/(kg·℃),EC飽和蒸氣壓見表1。
表1 EC飽和蒸氣壓Table 1 Saturated vapor pressure of EC
EC的汽化潛熱為ΔHv=ΔHv1(Tc-T)/(Tc-T1),其中T為溫度,K;Tc為臨界溫度,K;ΔHv1為T1時的汽化潛熱,kJ/kg。EC在富氫氣氛中的雙元擴散系數(shù)按McCabe[13]的理論計算:
式中:Dv為擴散系數(shù),cm2/s;T為溫度,K;TcA,TcB為材料A和B的臨界溫度,K;VcA、VcB為材料A和B的臨界體積,mL/mol;MA、MB為材料A和B的分子量;p為壓力,105Pa。
為進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,建立網(wǎng)格1總數(shù)為126804個,網(wǎng)格2總數(shù)為424920個。網(wǎng)格1精度已超過Ni等[10]對高溫高壓氣流床汽化爐內(nèi)煤粉顆粒燃燒研究時所采用的網(wǎng)格精度,也超過了文獻[14,15]在噴霧蒸發(fā)器內(nèi)液滴顆粒蒸發(fā)計算時的網(wǎng)格精度。但為進一步驗證網(wǎng)格無關(guān)性,采用網(wǎng)格2進行網(wǎng)格獨立性分析。
進口氣體初始溫度T0=220℃時,不同軸向位置的氣相速度分布如圖3,可知噴嘴近端的z=-500 mm和接近出口的z=-3000 mm處,兩個精度的網(wǎng)格結(jié)果具有良好的一致性。圖4為EC噴霧液滴的汽化時間,可知在兩個網(wǎng)格精度下,粒徑變化與汽化時間吻合良好,因此,采用網(wǎng)格1即可達到網(wǎng)格無關(guān)性要求。后續(xù)研究均采用網(wǎng)格1進行計算。
圖3 兩種網(wǎng)格精度在不同軸向位置的氣相速度分布Fig.3 Gas velocity distribution of the two grid models at different axial positions
圖4 EC噴霧液滴汽化時間Fig.4 Vaporization time of EC droplets
圖5 不同氣體初始溫度下液滴汽化情況Fig.5 Droplets distribution of different primary gas temperatures
按照上文定義的物料流量和性質(zhì),當氣體初始溫度T0=195.6℃時,理論上可完全汽化進入的EC液體,且具有5℃的過熱度。因此對T0分別為195.6℃、210℃、220℃時EC汽化情況進行計算,如圖5,隨著T0的增大,汽化器出口區(qū)域的液滴粒徑明顯減小,而且只有當T0為220℃時,EC液滴在離開汽化器前才可汽化完全,低于220℃時,會有大量未汽化的液滴被攜帶出去。即在實際汽化器中,即使汽化熱足夠,若在一定的停留時間內(nèi),由于氣液混合不充分導致的傳熱傳質(zhì)效果不良時,汽化效果也將較差。
以T0=220℃的完全汽化為例,對汽化器內(nèi)流場特點進行進一步分析。T0=220℃時,汽化器內(nèi)的軸向速度ua分布如圖6所示,ua值從-32.6 m/s到4.4 m/s變化,可知流場中存在回流區(qū),通過速度矢量圖可直觀地發(fā)現(xiàn)回流流動的強弱和位置。分析發(fā)現(xiàn),由于氣體分布器的作用,分布器上下端一定區(qū)域內(nèi)存在較強的回流區(qū)域,而該區(qū)域也是噴嘴噴霧的初始區(qū)域,氣體與噴霧液滴相互作用強烈,因該區(qū)域主要為回流流動,故定義為回流區(qū),其軸向位置約在0>z>-750 mm范圍內(nèi);回流區(qū)下端一定區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為中心流速逐漸增大,邊壁流速逐漸減小,定義為過渡區(qū)。由于回流區(qū)和過渡區(qū)在流場中屬于湍流強度較大的區(qū)域,其共同特點是氣流和液滴之間的湍流混合作用較強,因此合稱為回流過渡區(qū),該區(qū)域約在0>z>-1400 mm范圍內(nèi)。由速度矢量圖可知,過渡區(qū)下端區(qū)域的速度分布表現(xiàn)出良好的指數(shù)型分布,屬于典型的管流流型,因此定義為管流區(qū),需指出的是,由于流型的發(fā)展,管流區(qū)初始段的邊壁附近存在微弱的回流(回流速率小于0.03 m/s),但很快發(fā)展為完美的管流流型。
圖6 汽化器內(nèi)軸向速度分布及速度矢量Fig.6 Axial velocity profile and vector in vaporizer
對汽化器內(nèi)的溫度和EC濃度進行分析,結(jié)果如圖7、圖8所示。由于氣液介質(zhì)間的熱傳遞,流場溫度從220℃到約205℃變化,氣體出口溫度為207.8℃,由于噴嘴為實心錐噴霧,噴霧錐體內(nèi)的大量低溫液滴顆粒從周圍氣體吸熱,導致氣體溫度迅速降低,徑向上不同位置的溫度差達到最大值,隨著軸向距離的增大,徑向溫差逐漸減?。▓D7);EC濃度分布表現(xiàn)出了與溫度相似的分布特征,但由于EC的不斷汽化,整體濃度隨軸向距離呈增大趨勢(圖8)。
圖7 汽化器內(nèi)溫度分布Fig.7 Temperature profile in vaporizer
圖8 汽化器內(nèi)EC濃度分布Fig.8 EC concentration profile in vaporizer
由以上分析可知,汽化器內(nèi)溫度和濃度分布具有如下特點:上端空間徑向上的分布梯度很大,下端空間徑向的分布逐漸趨于一致,在中間某處存在一個分布特征快速變化的區(qū)域。因此,截取不同軸向距離,對徑向位置的溫差ΔT=Tmax-Tmin和濃度差Δy=yECmax-yECmin特征進行分析,結(jié)果如圖9所示。由圖9看出,由于EC液滴汽化吸熱和徑向熱傳遞作用,溫差ΔT=fΔT(|z|)隨軸向距離|z|的增大而減?。粷舛炔瞀=fΔy(|z|)隨|z|的增大呈現(xiàn)先增大后減小的特點,即噴霧后,液體的汽化強度先增大后減小。圖9還顯示,溫差和濃度差隨軸向距離的增大,均存在一個變化率|f′(|z|)|的最大值,即在該區(qū)域發(fā)生了應(yīng)變量的突變,其位置在z=-1300~-1500 mm。溫差和濃度差變化率最大值所在的位置即為回流過渡區(qū)與管流區(qū)的分界點,可通過分析該分界點所在的位置,準確地找出回流過渡區(qū)和管流區(qū)的分界區(qū)域。
圖9 徑向上溫差和濃度差與軸向距離的關(guān)系Fig.9 Relations of radial temperature and concentration differences with axial distance
對回流過渡區(qū)和管流區(qū)的EC汽化量進行分析,結(jié)果見圖10。由于回流過渡區(qū)內(nèi)較強的流動和混合及較大的溫差與濃度差特點,使得EC汽化速率較大,而管流區(qū)內(nèi)流動趨于穩(wěn)定,軸向和徑向返混微弱,傳熱和傳質(zhì)的推動力較小,使得汽化率很小。經(jīng)計算,在氣體初始溫度T0=220℃時,回流過渡區(qū)容積約占汽化器內(nèi)EC有效汽化容積 (0>z>-3450 mm)的40%,但該區(qū)域EC汽化量約占整個汽化器汽化量的83%,管流區(qū)占汽化有效空間的60%,EC汽化量約占17%,即回流過渡區(qū)單位汽化容積的汽化效率約為管流區(qū)相應(yīng)效率的7.3倍。
圖10 不同區(qū)域EC汽化量Fig.10 Amount of EC vaporized in different regions
由以上分析可知,回流過渡區(qū)以較小的容積完成了大部分液體的汽化,其根本原因是該區(qū)域相比管流區(qū),不但溫度和濃度梯度高,而且氣液之間的湍動混合作用較強,兩方面因素的綜合作用使得回流過渡區(qū)汽化效率較高。
針對汽化器的流場特點,為達到噴霧液體的完全汽化,可行方法有:(1)延長汽化器汽化空間,增大液滴停留時間;(2)提高氣體初始溫度,增大氣液傳熱溫差;(3)增強流場擾動,增大氣液湍動混合等。由于方法(1)的實質(zhì)是延長了汽化效率低的管流區(qū)長度,非優(yōu)選方法;方法(2)可有效提高汽化效率,但需增加能耗;而方法(3)可通過增大低效的管流區(qū)擾動而輕松實現(xiàn),因此對方法(3)進行進一步研究。
在管流區(qū)上段z=-1600 mm處增設(shè)一塊圓形擾流擋板,其直徑與汽化器進出口擋板直徑一致。圖11為擾流擋板增加與否時,軸向z=-1300~-2500 mm段的徑向速度分布和液滴汽化情況??芍醇訑_流板時,流場徑向流動速度非常小,液滴群跟隨主氣流軸向流動,直到z=-3100 mm的出口擋板附近才汽化完全,而增加擾流板后,徑向速度可大幅提高,破壞了原來的流型,增大了氣液相對速度,液滴在z=-2350 mm處已汽化完全,即汽化器高度相比無擾流板可減少750 mm,約占汽化器有效汽化高度的22%。
圖11 汽化器徑向速度和液滴分布對比Fig.11 Comparisons of the optimized radial velocity and droplet distributions in the vaporizer
由以上分析可知,在返混較弱的區(qū)域增加擾流構(gòu)件后,可明顯提高汽化效率,因此通過分析徑向溫度差或濃度差等變量的突變位置,較為精確地確定管流區(qū)的開始位置后,在該處增加擾流裝置,可最大限度提高汽化效率和降低汽化器的整體高度。
建立了在操作壓力為3 MPa的氣液并流汽化器內(nèi),高沸點有機液體于富氫氣體中噴霧汽化的數(shù)值研究方法,連續(xù)相和離散相分別采用歐拉模型和拉格朗日模型。結(jié)論如下:
(1)汽化器流場按流型特點可分為回流過渡區(qū)和管流區(qū),二者的軸向分界點可通過計算氣相介質(zhì)徑向溫差、或噴霧介質(zhì)徑向濃差隨軸向距離的變化率的最大值求得,回流過渡區(qū)汽化效率遠大于管流區(qū)。氣體初始溫度為220℃時,回流過渡區(qū)約占整個汽化容積的40%,其中的EC汽化量占總汽化量的83%,占汽化有效容積60%的管流區(qū)中,EC汽化量占17%,回流過渡區(qū)的單位汽化容積的汽化效率約為管流區(qū)的7.3倍。
(2)通過設(shè)置一級或多級擾流板來優(yōu)化管流區(qū)結(jié)構(gòu),可顯著提高汽化效率,降低汽化器高度。氣體初始溫度為220℃時,在管流區(qū)上端位置z=-1600 mm處設(shè)置一級擾流板時,可縮減汽化器高度約22%。