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        氣體導(dǎo)流片對(duì)旋轉(zhuǎn)床氣相流場(chǎng)及三甘醇脫水效率的影響

        2022-10-12 10:49:30何易鴻梁智宇
        云南化工 2022年9期
        關(guān)鍵詞:順流甘醇逆流

        何易鴻,孟 江,梁智宇

        (重慶科技學(xué)院,重慶 401331)

        超重力技術(shù),作為強(qiáng)化反應(yīng)過(guò)程的一種手段,在化工生產(chǎn)、納米材料合成、物料分離、廢水廢氣治理等工業(yè)領(lǐng)域已有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)[1-5]。對(duì)于超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,目前主要集中在填料的類(lèi)型及整體尺寸上,對(duì)于其他內(nèi)構(gòu)件的研究則較少。在空氣從旋轉(zhuǎn)床入口到進(jìn)入填料區(qū)與三甘醇反應(yīng)這一過(guò)程中,加入合適的導(dǎo)流片后會(huì)對(duì)氣體的運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生一定的導(dǎo)向作用,從而改善氣液兩相的接觸狀態(tài),提高反應(yīng)程度[6]。本文選擇了90°導(dǎo)流片、45°逆流導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和無(wú)導(dǎo)流片四種結(jié)構(gòu),通過(guò)數(shù)值模擬,研究了不同轉(zhuǎn)速、氣量下氣體導(dǎo)流片對(duì)旋轉(zhuǎn)床干床壓降和氣體分布均勻性的影響。同時(shí),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,確定了氣體導(dǎo)流片對(duì)三甘醇脫水效率的影響程度。

        1 計(jì)算模型及方法

        1.1 物理模型

        本文以實(shí)驗(yàn)所用逆流旋轉(zhuǎn)床的實(shí)際尺寸為參照,采用Solidworks軟件建立了三種旋轉(zhuǎn)床的流體模型,如圖1所示。其中,進(jìn)、出氣管規(guī)格為?14×2 mm,轉(zhuǎn)子內(nèi)徑40 mm,轉(zhuǎn)子外徑80 mm,轉(zhuǎn)子高度75 mm,殼體規(guī)格(直徑×高度)為?114×104 mm。兩種導(dǎo)流片長(zhǎng)10 mm,寬度為2 mm,高度為96 mm,數(shù)量為15個(gè)。

        (a)90°導(dǎo)流片 (b)45°導(dǎo)流片(逆流、順流) (c)無(wú)導(dǎo)流片

        1.2 網(wǎng)格劃分

        采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將模型分為內(nèi)空腔區(qū)、填料區(qū)、外空腔區(qū)三個(gè)部分,填料結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,故采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格部分采用Tetra/Mixed,生成方法選擇Robust(Octree),三個(gè)部分采用“interface”進(jìn)行連接。同時(shí),對(duì)導(dǎo)流片附近以及局部尺寸較小區(qū)域進(jìn)行加密處理。通過(guò)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后,確定本文網(wǎng)格劃分完的三種旋轉(zhuǎn)床模型網(wǎng)格參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 三種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床網(wǎng)格參數(shù)

        1.3 計(jì)算模型及方法

        本文對(duì)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)空氣單相流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬,忽略氣體在流動(dòng)過(guò)程中的熱效應(yīng),不考慮能量方程。其連續(xù)性方程為:

        (1)

        式中,ρ為氣體密度,ui(i=x,y,z)為氣相在i方向上的速度。

        采用MRF模型來(lái)表征填料轉(zhuǎn)子與內(nèi)外空腔區(qū)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將旋轉(zhuǎn)床的主體區(qū)域分為靜止區(qū)與旋轉(zhuǎn)區(qū)來(lái)表示,其動(dòng)量方程分別如下所示:

        (2)

        (3)

        式中,ut為移動(dòng)區(qū)域的相對(duì)速度,P為靜壓力,SF為動(dòng)量守恒方程源項(xiàng)。

        采用RNGk-ε湍流模型模擬旋轉(zhuǎn)床中氣相的強(qiáng)旋流動(dòng)過(guò)程,該模型的湍動(dòng)能方程與湍流耗散率方程分別如下所示:

        (4)

        (5)

        式中,k為湍動(dòng)能,ε為湍流耗散率,μ為氣體動(dòng)力粘度,Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能,Cμ、αk、αε、C1ε、C2ε、ηo和β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),均采用Fluent的默認(rèn)值:

        (6)

        實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)填充5mm的球形填料,由于填料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行幾何建模將極大地增加網(wǎng)格數(shù)量,提高計(jì)算收斂的難度。因此采用多孔介質(zhì)模型對(duì)填料結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,其原理是在動(dòng)量方程中添加一個(gè)源項(xiàng),提高區(qū)域內(nèi)的速度損失,從而體現(xiàn)填料對(duì)流體的阻礙作用。其表達(dá)式為:

        (7)

        采用Ergun公式計(jì)算多孔介質(zhì)模型中所需要的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù):

        (8)

        (9)

        式中,Si為(i=x,y,z)方向動(dòng)量方程的源項(xiàng),D和C為規(guī)定的矩陣,|u|為氣體速度大小,α為多孔介質(zhì)滲透率,C2為慣性阻力系數(shù),Dp為顆粒直徑,ε為床層孔隙率。

        1.4 邊界條件及求解方法

        本文通過(guò)Fluent來(lái)模擬計(jì)算四種氣體導(dǎo)流片對(duì)旋轉(zhuǎn)床干床壓降與氣體分布均勻性的影響。氣體進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口,氣體出口設(shè)為壓力出口,出口為大氣壓。使用SIMPLEC算法求解壓力——速度耦合,采用二階迎風(fēng)進(jìn)行離散插值,當(dāng)計(jì)算各參數(shù)的殘差均下降至10-3以下,且監(jiān)測(cè)氣體進(jìn)出口流量保持穩(wěn)定不變時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂,滿足要求。

        2 實(shí)驗(yàn)部分

        利用實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以濕空氣模擬濕天然氣,以現(xiàn)場(chǎng)使用的三甘醇作為實(shí)驗(yàn)用脫水溶劑,實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

        圖2 超重力脫水模擬實(shí)驗(yàn)流程

        空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入加濕裝置使其成為飽和濕空氣,再經(jīng)過(guò)濾分離器分離出其中的游離水和雜質(zhì),分離后的濕空氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床與貧甘醇進(jìn)行反應(yīng),脫除其中的水分,由旋轉(zhuǎn)床上部出口排出至外界。而貧甘醇經(jīng)分布器噴淋在填料層中,吸收完濕氣中的水分變成富甘醇后從旋轉(zhuǎn)床底部流出,經(jīng)再生系統(tǒng)后由甘醇泵輸送至旋轉(zhuǎn)床重復(fù)利用。使用探針式露點(diǎn)儀測(cè)定旋轉(zhuǎn)床脫水前后的空氣水露點(diǎn),使用差壓計(jì)測(cè)定旋轉(zhuǎn)床氣體進(jìn)出口壓差。

        3 結(jié)果和討論

        3.1 模擬結(jié)果分析

        3.1.1 流場(chǎng)分析

        圖3和圖4分別是轉(zhuǎn)速為 800 r/min、氣量為 3000 L/h 時(shí),四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在XY截面上的速度分布云圖和流線圖。可以看出,由于導(dǎo)流片的阻擋作用,氣體在外空腔區(qū)的速度明顯減小,氣體從入口進(jìn)入后,打到填料上分散成了兩股,一部分隨著旋轉(zhuǎn)方向慢慢進(jìn)入填料區(qū),一部分則形成了渦流。進(jìn)入填料區(qū)后,氣體獲得了極大的周向速度,速度明顯增大,然后沿徑向由外向內(nèi)逐漸減小,到達(dá)內(nèi)空腔區(qū)后,速度又明顯降低,最后沿軸向從氣體出口流出。

        (a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無(wú)導(dǎo)流片

        (a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流片 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無(wú)導(dǎo)流片

        圖5是轉(zhuǎn)速為 800 r/min、氣量為 3000 L/h 時(shí),四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在XY截面上的速度分布矢量圖??梢钥闯?,加入導(dǎo)流片后,氣體在外空腔區(qū)流動(dòng)空間減小,由于導(dǎo)流片的阻礙作用,氣體在每相鄰兩個(gè)導(dǎo)流片空隙間形成了渦流,外空腔區(qū)流速明顯減小。

        (a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流片 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無(wú)導(dǎo)流片

        圖6是轉(zhuǎn)速為 800 r/min、氣量為 3000 L/h時(shí),四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在XY截面上的壓力分布云圖??梢钥闯?,四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的壓力分布比較相似,在入口處均形成了一定程度的壓力集中;在軸向和周向上分布都比較均勻;在徑向上存在明顯的壓力梯度,并由外向內(nèi)逐漸減小。

        (a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流片 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無(wú)導(dǎo)流片

        3.1.2 模擬干床壓降

        圖7是四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在不同轉(zhuǎn)速、氣量下的干床壓降。可以發(fā)現(xiàn),四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的干床壓降均是隨著轉(zhuǎn)速和氣量的增大而增大,且氣量的增大幅度比轉(zhuǎn)速更大,通過(guò)比較,四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的干床壓降相差不大,由大到小依次是90°導(dǎo)流片(368.4 Pa)>45°逆流導(dǎo)流片(360.9 Pa)>45°順流導(dǎo)流片(356.5 Pa)>無(wú)導(dǎo)流片(350.5 Pa)。

        (a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

        3.1.3 氣體均勻性

        采用徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示氣體在旋轉(zhuǎn)床中的均勻分布情況[7]。三維徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差的定義式為:

        (10)

        圖8是四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在不同轉(zhuǎn)速、氣量下氣體在填料外緣的分布情況。由圖8可知,四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的氣體分布均勻性均是隨轉(zhuǎn)速和氣量的增大而降低,且氣量對(duì)均勻性的影響比轉(zhuǎn)速要大得多??梢钥闯?,無(wú)導(dǎo)流片時(shí)的氣體均勻性明顯要低于加入導(dǎo)流片的均勻性。這是因?yàn)榧尤雽?dǎo)流片后,氣體在外空腔區(qū)形成了渦流,降低了氣體流速,氣相停留時(shí)間加長(zhǎng),從而分布更加均勻。四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的氣體分布均勻性由好到差依次是45°逆流導(dǎo)流片>90°導(dǎo)流片>45°順流導(dǎo)流片>無(wú)導(dǎo)流片,這表明,當(dāng)氣體在外空腔的運(yùn)動(dòng)方向和旋轉(zhuǎn)床旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí),可以獲得更均勻的氣體分布。

        (a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

        3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        3.2.1 實(shí)驗(yàn)干床壓降

        圖9是不同轉(zhuǎn)速、氣量下四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的實(shí)驗(yàn)干床壓降。從圖9中看出,四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床實(shí)驗(yàn)值與模擬值的變化趨勢(shì)相似,加裝導(dǎo)流片對(duì)旋轉(zhuǎn)床干床壓降的影響較小。通過(guò)比較,模擬比實(shí)驗(yàn)值低50~90 Pa,平均相對(duì)誤差為16.79%,這可能是在數(shù)值模擬過(guò)程中將填料簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì),通過(guò)Ergun公式計(jì)算出來(lái)的壓力損失不太準(zhǔn)確造成的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),90°導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和45°逆流導(dǎo)流片的干床壓降分別比無(wú)導(dǎo)流片高4.95%、2.06%、2.95%左右。

        (a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

        3.2.2 脫水平衡度

        采用脫水平衡度[8]來(lái)衡量旋轉(zhuǎn)床中三甘醇脫水的反應(yīng)程度。固定三甘醇量為 300 L/h,通入三甘醇進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn),圖10是不同轉(zhuǎn)速、氣量下四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的脫水平衡度。從圖10中看出,90°導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和45°逆流導(dǎo)流片的脫水平衡度較無(wú)導(dǎo)流片分別提高了1.75%、1.37%、2.20%。結(jié)合模擬結(jié)果可知:氣體導(dǎo)流片可以一定程度上提高氣體進(jìn)入填料層時(shí)的均勻性,而氣體在填料層中的均勻分布可以提高反應(yīng)程度,對(duì)三甘醇的脫水過(guò)程有一定的促進(jìn)作用。

        (a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

        4 結(jié)論

        1)四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的干床壓降均是隨著轉(zhuǎn)速和氣量的增大而增大。干床壓降由大到小依次是90°導(dǎo)流片>45°逆流導(dǎo)流片>45°順流導(dǎo)流片>無(wú)導(dǎo)流片;四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的均勻性均是隨著轉(zhuǎn)速和氣量的增大而降低。氣體分布均勻性由好到差依次是45°逆流導(dǎo)流片>90°導(dǎo)流片>45°順流導(dǎo)流片>無(wú)導(dǎo)流片。

        2)四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床中,90°導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和45°逆流導(dǎo)流片的干床壓降分別比無(wú)導(dǎo)流片高4.95%、2.06%、2.95%,脫水平衡度分別高1.75%、1.37%、2.20%。

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