陸詩建，劉苗苗，楊菲，張俊杰，陳思銘，劉玲，康國(guó)俊，李清方

（1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碳中和研究院，江蘇 徐州 221116；2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4 中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580；5 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026）

濕壁塔由于其優(yōu)勢(shì)顯著，很早之前就被科學(xué)家們用于氣液傳質(zhì)機(jī)理中的研究工作。其中，濕壁塔的液相是以薄膜狀沿著垂直圓管中的內(nèi)壁流下，同時(shí)與進(jìn)入塔中的氣相進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)的過程[1]。由于其具有傳質(zhì)效果好、氣液接觸面積已知等特點(diǎn)[2]，濕壁塔常被用于吸收、蒸發(fā)、蒸餾等過程的研究。一般情況下3m 以下的濕壁塔被應(yīng)用于氣液反應(yīng)的探究過程。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)中的理論進(jìn)行分析，濕壁塔中液體的流動(dòng)是用來增強(qiáng)氣液兩相的混合和加強(qiáng)質(zhì)量傳遞的過程、增加塔內(nèi)氣液兩相的接觸面積、增大兩相接觸的時(shí)間，以減小濕壁塔內(nèi)部的阻力[3-5]。濕壁塔中流體狀態(tài)對(duì)于塔內(nèi)的氣液接觸會(huì)有一定的影響，例如濕壁塔中的流體分布不均勻使得塔內(nèi)的傳質(zhì)效率降低，所以濕壁塔內(nèi)的傳質(zhì)規(guī)律研究十分重要[6]。于松華[7]在濕壁塔中對(duì)相變吸收劑吸收CO2的氣液傳質(zhì)規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明吸收過程中加速作用是因?yàn)橐耗?nèi)反應(yīng)物濃度梯度發(fā)生了改變，傳質(zhì)阻力由主要受氣膜影響變成主要受液膜影響。Wang等[8]使用濕壁塔研究了相變吸收劑吸收CO2的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，動(dòng)力學(xué)模型表明CO2吸收過程主要受液膜擴(kuò)散過程的影響。Fang 等[9]在濕壁塔中研究了氨基酸鹽吸收CO2的氣液傳質(zhì)特性，結(jié)果表明氣相傳質(zhì)系數(shù)不僅取決于濕壁塔的流體動(dòng)力學(xué)條件，還取決于裝置內(nèi)的總壓力。Wang等[10]采用納米顆粒來增強(qiáng)CO2吸收過程的氣液傳質(zhì)系數(shù)，并研究了納米顆粒對(duì)濕壁塔中液相傳質(zhì)系數(shù)的增強(qiáng)作用機(jī)制。研究表明，發(fā)現(xiàn)液相傳質(zhì)系數(shù)的增加是由于液相中布朗運(yùn)動(dòng)引起的粒子布朗運(yùn)動(dòng)和微對(duì)流運(yùn)動(dòng)所致。

流體力學(xué)模擬軟件不斷發(fā)展，其數(shù)值模擬過程相對(duì)來說比較精確，研究者們也更加傾向于使用模擬軟件對(duì)于工藝工程進(jìn)行研究，因?yàn)橥ㄟ^工藝數(shù)值模擬軟件可以降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)。CFD模擬吸收塔中氣液傳質(zhì)規(guī)律可以進(jìn)一步提高吸收塔中的氣液傳質(zhì)效率，同時(shí)數(shù)值模擬方法能夠比較準(zhǔn)確地反映吸收塔中的流動(dòng)情況和對(duì)流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究和分析[11-13]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SO2的吸收模擬過程進(jìn)行了大量研究[14]，但對(duì)CO2在吸收塔的吸收模擬過程研究卻很少，本文主要對(duì)CO2在吸收塔中的吸收過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

Raynal 等[15]在探究CO2吸收塔的最優(yōu)設(shè)計(jì)中采用CFD模擬濕壁塔，如圖1所示；Iso等[16]在探究濕壁塔內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)模擬中采用Fluent模擬濕壁塔，如圖2 所示；Raynal 等[17]在探究CO2的捕集中采用的Fluent模擬濕壁塔內(nèi)流場(chǎng)；Mshewa等[18]發(fā)明了降膜式濕壁塔，增強(qiáng)了降膜式濕壁塔的實(shí)用性；Pacheco等[19-20]通過一系列實(shí)驗(yàn)研究對(duì)降膜式濕壁塔進(jìn)行了進(jìn)一步的修改完善；Dang等[21]也給出了更多關(guān)于降膜式濕壁塔的修改細(xì)節(jié)。Qian等[22]為改善液體和氣體的分布，對(duì)濕壁塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改進(jìn)：①氣體不是直接進(jìn)入吸收室，而是通過柱底孔徑為20μm 的環(huán)形多孔金屬托盤流動(dòng)；②液體不通過傳統(tǒng)的液體分布器，而是在垂直拋光的吸收柱上進(jìn)行溢出分布；③吸收柱位于兩根同心圓玻璃管的中心，水在管之間循環(huán)以保持吸收溫度恒定；④吸收柱固定在插座上，便于吸收柱調(diào)整高度以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。Rodriguez-Flores 等[22-23]使用具有膜促進(jìn)劑（薄的不銹鋼編織物）的濕壁塔進(jìn)行CO2吸收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明膜促進(jìn)劑可以促進(jìn)穩(wěn)定液膜的形成以及沿柱內(nèi)壁適宜的液體分布。

圖1 CO2吸收塔模擬示意圖

圖2 濕壁塔模擬示意圖

本文根據(jù)流體力學(xué)定律，運(yùn)用了專業(yè)的軟件Gambit和Fluent軟件進(jìn)行二維模型和三維模型的模擬，通過PISO算法和層流模型，進(jìn)一步確定了邊界條件，數(shù)值的基準(zhǔn)和改良后的濕壁塔中的內(nèi)流場(chǎng)，建立了氣液兩相的流動(dòng)方程，定性地分析了氣液兩相的流場(chǎng)對(duì)于傳質(zhì)過程的影響，同時(shí)判定了改良后的濕壁塔是否更加有利于傳質(zhì)過程的分析，此項(xiàng)研究為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步開展提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 濕壁塔內(nèi)數(shù)值模擬的基本設(shè)置

1.1 控制方程和計(jì)算模型

1.1.1 流體動(dòng)力學(xué)控制方程

控制方程[24-25]是質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律與能量守恒定律的數(shù)學(xué)描述，這些方程中變量各不相同，它們體現(xiàn)了在單位體積單位時(shí)間內(nèi)物理量的守恒性質(zhì)，具有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。用φ表示通用變量，各控制方程均可以表示為式(1)。

式(1)的展開形式為式(2)。

式(2)中，φ表示通用變量，可以是u、v、w、T等求解變量；Γ是廣義擴(kuò)散系數(shù)；S是廣義源項(xiàng)，式(1)中各項(xiàng)依次分別是瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)及源項(xiàng)。φ、Γ和S對(duì)于特定的方程具有特定的形式，各特定方程和各個(gè)符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。其中組分方程適用于氣體擴(kuò)散與有機(jī)胺溶液反應(yīng)過程。

表1 通用控制方程中各符號(hào)的具體形式

1.1.2 計(jì)算模型

液相H2O入口的雷諾數(shù)ReL計(jì)算如式(3)所示。

式中，v為截面的平均速度，m/s；de為特征長(zhǎng)度，m；μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s。

根據(jù)基準(zhǔn)濕壁塔和改良型濕壁塔設(shè)計(jì)要求，液體循環(huán)量控制在3000mL/min，當(dāng)量直徑de為10mm?；鶞?zhǔn)濕壁塔和改良型濕壁塔液相H2O 入口參數(shù)和雷諾數(shù)如表2所示。

表2 濕壁塔液相H2O入口參數(shù)表

通過計(jì)算可知為層流運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)luent 中選擇的Viscous Model （黏 度 模 型）為L(zhǎng)aminar （層 流模型）。

1.2 幾何建模和網(wǎng)格劃分

改良型濕壁塔的總體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。這是一種新型氣體吸收降膜反應(yīng)器，是通過改進(jìn)基準(zhǔn)濕壁塔獲得改良型濕壁塔。其中氣體分布采用偏心方式和擾流葉片使得氣流更加分布均勻，液體采用旋流分布方式形成平穩(wěn)均勻液膜。氣體自塔頂進(jìn)入經(jīng)氣體分布器后形成均勻穩(wěn)定的氣流沿濕壁柱外表面向上運(yùn)動(dòng)；液體自濕壁柱內(nèi)腔底部進(jìn)入，由濕壁柱頂部溢出，經(jīng)液體分布器分布后形成穩(wěn)定的液膜沿濕壁柱表面流下，與氣體進(jìn)行逆流接觸。熱保溫方式采用水浴夾套；濕壁柱外壁采用超微噴砂處理改善對(duì)水相的潤(rùn)濕性。

圖3 改良型濕壁塔結(jié)構(gòu)圖

在基準(zhǔn)濕壁塔的基礎(chǔ)上改進(jìn)獲得改良型濕壁塔，與基準(zhǔn)濕壁塔主要的結(jié)構(gòu)區(qū)別是氣體擋板結(jié)構(gòu)和氣體入口位置的不同，改良型濕壁塔更有利于氣相向上流動(dòng)，利于氣液兩相混合，減少氣相在氣體擋板位置處速度突變的可能性，利于氣液兩相在逆流中傳質(zhì)。

在Gambit 軟件中分別進(jìn)行改良型濕壁塔二維和全尺寸空間的三維實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分，見圖4。改良型濕壁塔按塊劃分網(wǎng)格，由結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)成。在幾何邊界簡(jiǎn)單的區(qū)域采用map網(wǎng)格類型，幾何邊界復(fù)雜的區(qū)域采用pave網(wǎng)格類型，網(wǎng)格單元均采用pave。由于改良型濕壁塔內(nèi)液膜很薄，則在該液膜區(qū)域采用局部加密處理。

圖4 改良型濕壁塔幾何模型和網(wǎng)格劃分

2 改良型濕壁塔氣液兩相流場(chǎng)的分析

改良型濕壁塔內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)已通過模擬數(shù)值方法得到，對(duì)改良型濕壁塔內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)的氣液兩相的速度分布規(guī)律、壓力分布規(guī)律以及液膜變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 速度分布規(guī)律

2.1.1 速度場(chǎng)

液體在改良型濕壁塔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)[26]，可分為三個(gè)區(qū)域：進(jìn)口附近加速段；穩(wěn)定段；下部波紋區(qū)。塔下部波紋區(qū)的流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，缺乏理論分析，而且對(duì)于短濕壁塔，可以不予考慮。下面主要以液相H2O入口速度νL=0.6m/s，氣相CO2入口速度νg=0.5m/s的流動(dòng)狀態(tài)為研究對(duì)象分析速度場(chǎng)。

圖5 為液相H2O 入口速度νL=0.6m/s、氣相CO2入口速度νg=0.5m/s時(shí)改良型濕壁塔的速度矢量圖。從圖5可知，液相H2O在濕壁柱表面是層流；氣相CO2從氣相入口進(jìn)入，流經(jīng)氣體擋板，有渦旋運(yùn)動(dòng)，以層流形式從氣相出口流出。在氣體擋板區(qū)域氣相CO2速度較大，速度最大值約是氣相CO2入口速度的2倍，氣液兩相接觸時(shí)間減?。贿h(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域氣相CO2速度減小，氣液兩相接觸時(shí)間增大。

圖5 改良型濕壁塔的速度矢量圖

在穩(wěn)定段，液相形成液膜以一定速度沿濕壁柱流下?，F(xiàn)主要分析穩(wěn)定段的速度場(chǎng)，氣液混合兩相的速度可以分解為柱坐標(biāo)下的軸向速度和徑向速度兩個(gè)分量，為了對(duì)改良型濕壁塔內(nèi)部速度場(chǎng)進(jìn)行深入分析，下面對(duì)這兩個(gè)分量進(jìn)行單獨(dú)分析。

（1）軸向速度

軸向速度是改良型濕壁塔速度場(chǎng)重要的一個(gè)分量，軸向速度使液體沿塔壁方向流動(dòng)，促使形成穩(wěn)定的液膜，為進(jìn)一步傳質(zhì)奠定基礎(chǔ)。圖6 為液相H2O 入 口 速 度νL=0.6m/s、氣 相CO2入 口 速 度νg=0.5m/s 時(shí)改良型濕壁塔混合相的軸向速度隨液膜深度的變化曲線圖，x為液膜深度。y=60mm、80mm、100mm、120mm 系列分別表示y=60mm、80mm、100mm、120mm 截面的軸向速度隨液膜深度的變化。y=60mm 截面表示在氣體擋板區(qū)域，y=80mm、100mm、120mm 截面表示依次遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域。

圖6 改良型濕壁塔軸向速度分布圖

從圖6可以看出，不同截面之間軸向速度的變化規(guī)律大致相同，軸向速度為負(fù)值，沿y軸負(fù)方向，沿濕壁柱方向向下，軸向速度隨液膜深度增大而先增大后減小，軸向速度減小是由于氣液兩相逆流的結(jié)果，軸向速度減小處位于液膜邊界位置。隨著塔截面的升高，各截面軸向速度的最大值減小。y=60mm、80mm 截面，軸向速度波動(dòng)較大，軸向速度的最大值較其他截面大，這兩個(gè)截面液膜較薄，這是由于氣體擋板處氣相流速較大的原因，減少了氣液兩相接觸時(shí)間；y=100mm、120mm 截面，軸向速度在液膜邊界處波動(dòng)較小，這兩個(gè)截面液膜較厚，表明氣液兩相流場(chǎng)穩(wěn)定，氣液兩相接觸時(shí)間增大。所以就軸向速度分布而言，改良型濕壁塔在有效液膜高度內(nèi)隨截面的升高氣液兩相接觸時(shí)間增大，利于傳質(zhì)。

（2）徑向速度

徑向速度是改良型濕壁塔內(nèi)速度場(chǎng)另一個(gè)重要的分量，徑向速度促進(jìn)氣液兩相向塔壁方向流動(dòng)，能夠加速氣液兩相在液膜內(nèi)混合。圖7為液相H2O入口速度νL=0.6m/s、氣相CO2入口速度νg=0.5m/s時(shí)改良型濕壁塔混合相的徑向速度隨液膜深度的變化曲線圖，x為液膜深度。y=60mm、80mm、100mm、120mm 系列分別表示y=60mm、80mm、100mm、120mm截面混合相的徑向速度隨液膜深度的變化。

圖7 改良型濕壁塔徑向速度分布圖

從圖7可以看出，不同截面之間在液膜內(nèi)部區(qū)域徑向速度均趨于0，這是由于氣液兩相為層流。不同截面之間徑向速度隨液膜深度變化趨勢(shì)相同，為負(fù)值，沿x軸負(fù)方向，徑向速度隨液膜深度的增大而增大，它促使氣液兩相向塔壁方向運(yùn)動(dòng)，加速氣液兩相在液膜內(nèi)混合，其作用范圍雖小，但對(duì)氣液兩相混合卻起著重要的作用。所以就徑向速度分布而言，改良型濕壁塔在有效液膜高度內(nèi)隨截面的升高氣液兩相混合程度增強(qiáng)。

2.1.2 液相入口流量對(duì)速度場(chǎng)的影響

改良型濕壁塔的結(jié)構(gòu)和氣相入口流量確定，液相入口流量不同，則氣液兩相流的速度場(chǎng)不同，現(xiàn)對(duì)此操作參數(shù)對(duì)速度場(chǎng)的影響進(jìn)行研究分析。根據(jù)改良型濕壁塔設(shè)計(jì)要求，液體循環(huán)量控制在3000mL/min，改良型濕壁塔液相入口流量為980mL/min、1959mL/min、2939mL/min 時(shí)速度場(chǎng)對(duì)應(yīng)的液相入口速度為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s。

圖8(a)、(b)是 液 相H2O 入 口 速 度νL=0.6m/s、0.4m/s 及氣相CO2入口速度νg=0.5m/s 時(shí)改良型濕壁塔的速度矢量圖。圖8(c)是液相H2O 入口速度νL=0.2m/s、氣相CO2入口速度νg=0.5m/s 時(shí)改良型濕壁塔的速度矢量圖。

圖8 不同液相入口流量下的速度矢量圖

從圖8可知，液相H2O沿濕壁柱層流流動(dòng)；氣相CO2從氣相入口進(jìn)入，流經(jīng)氣體擋板，以層流形式從氣相出口流出。氣相入口速度不變，液相入口速度分別為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s 時(shí)，均有渦旋運(yùn)動(dòng)，而且隨著液相入口速度的增大，在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域氣相渦旋運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，在液膜邊界處氣液兩相混合增強(qiáng)。這是由于軸向應(yīng)力對(duì)液膜的剪切作用增大，使得液膜表面的連續(xù)液體破碎成液滴，繼而液滴與氣相充分混合，加強(qiáng)濕壁塔吸收作用。

2.1.3 氣相入口流量對(duì)速度場(chǎng)的影響

改良型濕壁塔的結(jié)構(gòu)和液相入口流量確定，氣相入口速度不同，則氣液兩相流的速度場(chǎng)不同，現(xiàn)對(duì)此操作參數(shù)對(duì)速度場(chǎng)的影響進(jìn)行研究分析。下面比較改良型濕壁塔氣相入口速度為0.1m/s、0.5m/s、1m/s、5m/s時(shí)速度場(chǎng)。

圖9 是液相H2O 入口速度νL=0.6m/s 及氣相CO2入口速度νg=0.1m/s、0.5m/s、1m/s、5m/s 時(shí)改良型濕壁塔的速度矢量圖。

圖9 不同氣相入口流量下的速度矢量圖

從圖9可知，在νL=0.6m/s、νg=0.1m/s時(shí)，在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域，氣相以較小的速度層流流動(dòng)，氣液兩相混合程度較弱；在νL=0.6m/s、νg=0.5m/s 時(shí)，在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域，有渦旋運(yùn)動(dòng)，氣液兩相有效接觸；在νL=0.6m/s、νg=1m/s 時(shí)，在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域，有渦旋運(yùn)動(dòng)，液相沿濕壁柱向下流動(dòng)形成的液膜較薄，這是由于氣相流速較大造成液相返混的原因；在νL=0.6m/s、νg=5m/s 時(shí)，在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域，液膜幾乎消失，這是由于氣相流速過大導(dǎo)致液相不能沿濕壁柱向下流動(dòng)形成穩(wěn)定的液膜，不利于改良型濕壁塔傳質(zhì)。

液相入口速度不變，在一定的氣相入口速度范圍內(nèi)，隨氣相入口速度的增大，氣液兩相在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域渦旋運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，氣液兩相混合程度增強(qiáng)，利于傳質(zhì)。氣相入口速度不應(yīng)過大，否則導(dǎo)致液相不能沿濕壁柱向下流動(dòng)形成穩(wěn)定的液膜，不利于傳質(zhì)。

2.1.4 濕壁塔變徑結(jié)構(gòu)對(duì)速度場(chǎng)的影響

改良型濕壁塔的液相和氣相入口流量確定，若無變徑結(jié)構(gòu)，則氣液兩相流的速度場(chǎng)不同，現(xiàn)對(duì)此結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)速度場(chǎng)的影響進(jìn)行研究分析。

圖10是液相H2O入口速度νL=0.6m/s、氣相CO2入口速度νg=0.5m/s 時(shí)無變徑結(jié)構(gòu)的改良型濕壁塔的速度矢量圖。對(duì)比圖10和圖8可知，在遠(yuǎn)離氣體擋板區(qū)域，有變徑結(jié)構(gòu)的改良型濕壁塔渦旋運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，氣液兩相接觸更充分，混合程度更強(qiáng)，更利于傳質(zhì)。

圖10 無變徑結(jié)構(gòu)速度矢量圖（νL=0.6m/s，νg=0.5m/s）

2.1.5 氣體擋板對(duì)速度場(chǎng)的影響

氣體擋板的結(jié)構(gòu)影響了改良型濕壁塔內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)。改良型濕壁塔的液相和氣相入口流量確定，若無氣體擋板結(jié)構(gòu)，則氣液兩相流的速度場(chǎng)不同，對(duì)此結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)速度場(chǎng)的影響進(jìn)行研究分析。

圖11是液相H2O入口速度νL=0.6m/s、氣相CO2入口速度νg=0.5m/s 時(shí)無氣體擋板結(jié)構(gòu)的改良型濕壁塔的速度矢量圖。對(duì)比圖11和圖8可知，無氣體擋板的改良型濕壁塔在遠(yuǎn)離氣體擋板的液膜邊界處無渦旋運(yùn)動(dòng)，氣液兩相層流逆流接觸，不利于氣液兩相充分混合，不利于傳質(zhì)；有氣體擋板的改良型濕壁塔渦旋運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，氣液兩相接觸更充分，混合程度更強(qiáng)，更利于傳質(zhì)。

圖11 無氣體擋板速度矢量圖（νL=0.6m/s，νg=0.5m/s）

2.2 氣液兩相分布規(guī)律

圖12是νL=0.6m/s和νg=0.5m/s、νL=0.4m/s和νg=0.5m/s、νL=0.6m/s 和νg=1m/s、νL=0.4m/s 和νg=1m/s時(shí)改良型濕壁塔的H2O體積分?jǐn)?shù)分布圖。

圖12 改良型濕壁塔相圖

從圖12 可知，液相H2O 在進(jìn)口附近加速段，形成凸起的曲面，這是由于液體表面張力的作用，加速段很短。同樣，據(jù)文獻(xiàn)所載，這一段距離很短。在穩(wěn)定段，液相形成穩(wěn)定的液膜以一定速度沿濕壁柱壁流下，通過文獻(xiàn)調(diào)研，液相沿濕壁柱形成穩(wěn)定的液膜。

2.3 壓力分布規(guī)律

圖13是液相H2O入口速度νL=0.6m/s、氣相CO2入口速度νg=0.5m/s 時(shí)改良型濕壁塔的壓力云圖。由圖13 可知，壓降為0。這是由于濕壁塔液膜較薄，成膜所需的靜壓液位較低，壓力場(chǎng)變化較小。

圖13 改良型濕壁塔壓力云圖

2.4 液膜分析

2.4.1 液膜表面積

濕壁塔具有下列特點(diǎn)：氣膜和液膜之間互不滲透，僅在表面進(jìn)行傳質(zhì)，借助氣流通過降膜時(shí)在液膜表面產(chǎn)生特殊的波動(dòng)所造成不穩(wěn)定的分子擴(kuò)散、進(jìn)行高效的傳質(zhì)，可以允許較高的氣速通過，設(shè)備阻力降較小，液膜較薄。液膜若分布不均勻即會(huì)導(dǎo)致液膜在濕壁柱表面厚度不一，受流速等因素影響發(fā)生測(cè)流或撕裂。濕壁塔的有效傳質(zhì)表面積與液膜的表面積密切相關(guān)，研究濕壁塔內(nèi)液膜表面積對(duì)提高濕壁塔的傳質(zhì)能力有重要意義。

有效液膜表面積F由式(4)計(jì)算。

根據(jù)改良型濕壁塔的設(shè)計(jì)參數(shù)，d=25mm。

由表2可知，改良型濕壁塔的液相雷諾數(shù)均在40＜ReL＜1200 范圍內(nèi)，屬于擬層流區(qū)。在擬層流區(qū)內(nèi)（40＜ReL＜1200），根據(jù)流動(dòng)特性的變化，Kapitsa提出了液膜厚度δ的修正方程[27]，則穩(wěn)定段的理論液膜厚度δt由式(5)計(jì)算。

液膜厚度理論計(jì)算式(5)已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在擬層流區(qū)內(nèi)濕壁塔的液膜厚度的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值符合較好，則濕壁塔的液膜厚度的理論計(jì)算值可作為分析依據(jù)。

查看Fluent相圖體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，分析得在不同的液相流速下液膜的厚度δs。

在濕壁柱外形成的有效理論液膜表面積Ft和有效模擬液膜表面積Fs由式(6)和式(7)計(jì)算。

液膜表面積誤差eF由式(8)計(jì)算。

改良型濕壁塔的降液膜的有效高度he2=150-44-12=94mm。

2.4.2 液相入口流量對(duì)液膜的影響

根據(jù)式(5)、式(6)計(jì)算得改良型濕壁塔的理論降液膜厚度δt2和表面積Ft2，查看Fluent相圖體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，分析在不同的液相流速下改良型濕壁塔的模擬液膜厚度δs2和表面積Fs2，液膜厚度誤差為eδ2，液膜表面積誤差為eF2。

圖14 為改良型濕壁塔的理論和模擬液膜厚度隨液相入口體積流量的變化曲線圖，圖15 為改良型濕壁塔的理論和模擬液膜表面積隨液相入口體積流量的變化曲線圖。由圖14 可知，隨液相入口體積流量VL的增大，理論和模擬液膜厚度均增大，且理論液膜厚度和模擬液膜厚度增長(zhǎng)趨勢(shì)符合較好。由圖15可知，隨液相入口體積流量VL的增大，理論和模擬液膜表面積均增大，且理論液膜表面積和模擬液膜表面積增長(zhǎng)趨勢(shì)較符合。

圖14 改良型濕壁塔的理論和模擬液膜厚度對(duì)比曲線

圖15 改良型濕壁塔的理論和模擬液膜表面積對(duì)比曲線

通過將改良型濕壁塔的理論和模擬液膜厚度及表面積進(jìn)行對(duì)比分析，改良型濕壁塔的理論和模擬液膜厚度及表面積均分別較符合。濕壁塔的傳質(zhì)僅在液膜表面進(jìn)行，液膜參數(shù)的變化可反映氣液兩相傳質(zhì)結(jié)果的變化。

在允許的液相入口體積流量變化范圍內(nèi)，液膜表面積的增大表明液膜有效液膜傳質(zhì)表面積增大，氣液兩相傳質(zhì)增強(qiáng)，則理論和模擬液膜表面積隨液相入口體積流量的增大而增大，均表明液膜有效傳質(zhì)表面積增大，氣液兩相傳質(zhì)增強(qiáng)。所以，在允許的液相入口體積流量變化范圍內(nèi)，液相入口體積流量越大，液膜表面積越大，改良型濕壁塔液膜有效傳質(zhì)表面積越大，越利于氣液兩相傳質(zhì)。

3 結(jié)論

選用Fluent軟件，采用層流模型、VOF模型及非穩(wěn)態(tài)類型，模擬基準(zhǔn)濕壁塔和改良型濕壁塔的氣液兩相流場(chǎng)，定性分析穩(wěn)定液膜邊界氣液兩相流場(chǎng)對(duì)傳質(zhì)過程的影響，得出主要結(jié)論如下。

（1）改良型濕壁塔液膜厚度的理論計(jì)算結(jié)果和二維模型模擬結(jié)果及三維模型模擬結(jié)果符合得較好，可以判斷選用的幾何模型及數(shù)值計(jì)算方法能較好預(yù)測(cè)改良型濕壁塔的流場(chǎng)。

（2）隨液相入口流量的增大，在穩(wěn)定液膜邊界氣相渦旋運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，氣液兩相混合程度加強(qiáng)，利于改良型濕壁塔的氣液兩相傳質(zhì)。在一定氣相入口流量范圍內(nèi)，隨氣相入口流量的增大，液膜界面渦旋運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，氣液兩相混合程度加強(qiáng)，利于改良型濕壁塔的氣液兩相傳質(zhì)；氣相入口流量不宜過大，否則導(dǎo)致液相不能沿濕壁柱向下流動(dòng)形成穩(wěn)定的液膜，不利于傳質(zhì)。

（3）改良型濕壁塔的變徑結(jié)構(gòu)和氣體擋板均利于氣液兩相混合，利于傳質(zhì)。改良型濕壁塔的傳質(zhì)過程在液膜邊界發(fā)生，隨液相入口流量的增大液膜厚度增加，液膜表面積增大，有效傳質(zhì)面積增大，利于氣液兩相傳質(zhì)。