大型波紋規(guī)整填料塔二維返混特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬

劉伯潭，朱學(xué)軍，余國(guó)琮

(天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

填料塔中的液相返混對(duì)傳質(zhì)效率有很大影響，由于填料塔內(nèi)液相的不均勻分布，使得其實(shí)際狀況偏離理想的活塞流，一直以來(lái)對(duì)填料塔液相返混的研究大多采用擴(kuò)散模型，用返混系數(shù)來(lái)表征返混程度的大?。鼛资陙?lái)，學(xué)者們對(duì)填料塔內(nèi)的返混進(jìn)行了大量研究．最常用的是一維軸向返混模型[1-6]．一維返混模型只考慮軸向的流動(dòng)和擴(kuò)散，對(duì)于較小塔徑和散堆填料，這種模型比較合適．對(duì)于直徑較大的填料塔，其徑向返混影響很大，使用一維返混模型過(guò)于簡(jiǎn)略，因此學(xué)者們提出了二維返混模型[7-10]，二維返混模型假設(shè)塔內(nèi)軸對(duì)稱(chēng)，使用軸向返混系數(shù)和徑向返混系數(shù)，能夠一定程度地反映在示蹤劑徑向上的分布．Delgado[11]曾對(duì)散堆多孔介質(zhì)中的軸向和徑向返混進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)地總結(jié)．但是對(duì)于規(guī)整填料，由于結(jié)構(gòu)原因，單盤(pán)規(guī)整填料是各向異性的，因此不能簡(jiǎn)單地以軸向和徑向返混來(lái)表達(dá)．但實(shí)際填料塔相鄰兩盤(pán)規(guī)整填料都是旋轉(zhuǎn) 90°交錯(cuò)安裝，因此在遠(yuǎn)離塔進(jìn)口處可以近似地認(rèn)為填料塔是各向同性的，可以使用二維返混模型．筆者實(shí)驗(yàn)裝置為裝填 250,Y規(guī)整填料的填料塔，直徑為 1,000,mm，采用二維返混模型進(jìn)行研究．

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

朱學(xué)軍[12]采用鉑電阻溫度探頭和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)測(cè)定填料層中的示蹤劑溫度分布．應(yīng)用該測(cè)試手段能夠有效地同時(shí)測(cè)定填料層中不同軸向和徑向位置 48個(gè)點(diǎn)的示蹤劑溫度分布．本實(shí)驗(yàn)所用填料為天津大學(xué)填料廠生產(chǎn)的250,Y塑料波紋板填料，直徑為 990,mm，盤(pán)高 200,mm．實(shí)驗(yàn)在直徑 1,000,mm的塔中進(jìn)行，塔總高度為 7,m，填料裝填高度2,000,mm，所用物系為空氣—水系統(tǒng)．實(shí)驗(yàn)中，冷水與熱水流量比例為 10∶1，冷水溫度控制在 16～21,℃，熱水由電熱鍋爐加熱，熱水儲(chǔ)槽內(nèi)的溫度控制在 80,℃左右．實(shí)驗(yàn)時(shí)，為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中冷水底值溫度不變，采用一次用水．空氣由離心式高壓風(fēng)機(jī)從塔底送入塔內(nèi)，用蝶型閥調(diào)節(jié)，皮托管微壓差計(jì)測(cè)定風(fēng)量.

實(shí)驗(yàn)在塔填料段上端使用的分布器為雙層排管式液體分布器，下層排管為冷水分布器，開(kāi)有 192個(gè)直徑 3.5,mm 的噴淋孔，上層排管為熱水分布器，開(kāi)有114個(gè)直徑為2,mm的噴淋孔．熱水的噴淋范圍是塔中心的直徑為 336,mm的圓形范圍，直徑從 336～1,000,mm的同心圓是冷水噴淋范圍．

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同平面填料塔溫度分布．定義無(wú)因次溫度

式中：t為局部溫度；tc為冷水進(jìn)口溫度；th為熱水進(jìn)口溫度．

把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的局部溫度轉(zhuǎn)化為無(wú)因次溫度，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的無(wú)因次溫度的分布Fig.1 Measured profiles of dimensionless temperature

圖1(a)為距離塔頂400,mm，即2盤(pán)填料平面內(nèi)的無(wú)因次溫度分布，圖 1(b)為距離塔頂 1,000,mm，即 5盤(pán)填料平面內(nèi)的無(wú)因次溫度分布．由圖 1(a)中可以看到，經(jīng)過(guò) 2盤(pán)填料后，無(wú)因次溫度已經(jīng)有相當(dāng)大程度的擴(kuò)散，這是因?yàn)橛捎诮Y(jié)構(gòu)的原因，規(guī)整填料與散堆填料相比有明顯的壁流效應(yīng)；無(wú)因次溫度的分布總體呈中間高，四周低，但并不是單峰分布，而是比較明顯的多峰，這反映了規(guī)整填料各向異性的特點(diǎn)．而在圖 1(b)中，可以看到經(jīng)過(guò) 5盤(pán)填料后，無(wú)因次溫度分布變得相對(duì)均勻得多，雖然仍然是中間高，但峰高比圖 1(a)要平緩得多，而且多峰特征變?nèi)?，溫度分布?guī)律明顯．總體上，圖1(b)中的溫度分布更加接近各向同性．

2 二維返混模型返混系數(shù)的確定

用無(wú)因次溫度 T表示的一維流動(dòng)二維返混方程為

實(shí)驗(yàn)中熱水示蹤劑穩(wěn)態(tài)注入，并且在整塔溫度達(dá)到穩(wěn)定后才開(kāi)始測(cè)量各點(diǎn)溫度，因此實(shí)驗(yàn)為穩(wěn)態(tài)，模型方程為

邊界條件如下．

對(duì)上述模型采用有限差分法求解，得到結(jié)果見(jiàn)圖 2．

圖2 二維返混模型溫度分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.2 Dimensionless temperature field solved by 2D axial symmetrical dispersion model and comparison to the experiment

圖 2給出模型求解結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的無(wú)因次溫度的對(duì)比．圖中的實(shí)驗(yàn)工況是液相流量 Q＝10,m3/h，求解后得到軸向返混系數(shù) Dz＝8.3×10-3，徑向返混系數(shù) Dr＝1.21×10-3．從圖 2中可以看到，在 z＝1,000,mm的平面內(nèi)，模擬反算得到的溫度分布與實(shí)際比較接近，但是 z＝400,mm 位置模擬反算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)差別較大．這是因?yàn)橐?guī)整填料各向異性，這種各向異性只有在遠(yuǎn)離塔進(jìn)口處通過(guò)填料盤(pán)反復(fù)交叉排列分配液流才能消除，液相流動(dòng)狀況在距離進(jìn)口1,000,mm處相對(duì)離塔進(jìn)口較遠(yuǎn)，因此模型反算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較符合，而距離塔進(jìn)口200,mm處過(guò)于接近塔頂，其流動(dòng)狀況和模擬情況差別較大．

3 各向異性返混模型

由于二維返混模型所表達(dá)的流動(dòng)情況和規(guī)整填料的實(shí)際流動(dòng)情況有所差異，因此只能認(rèn)為在遠(yuǎn)離塔進(jìn)口的溫度分布符合二維返混模型．

為了更好地模擬規(guī)整填料中的液相返混，本文還考察了各向異性二維返混模型．因?yàn)橐?guī)整填料實(shí)際的流動(dòng)情況是三維的，因此，若只考慮軸向流動(dòng)，其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程為

式中：x為填料片伸展方向；y為填料片的法向方向．采用有限差分法求解該方程，可以在制作物理模型時(shí)按填料盤(pán)高度分段劃網(wǎng)格，以本文為例，可以劃分 5塊直徑 1,000,mm、高 200,mm的圓柱體代表各盤(pán)填料；實(shí)際的規(guī)整填料各盤(pán)之間旋轉(zhuǎn) 90°交錯(cuò)排列，因此在計(jì)算中相鄰的2盤(pán)填料Dx和Dy要交換數(shù)值，這樣從進(jìn)口依次計(jì)算，可以模擬實(shí)際的規(guī)整填料的返混情況．一般地，3個(gè)方向的返混系數(shù)難于確定，且鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道．在本文實(shí)驗(yàn)中，填料片由塑料制成，且不開(kāi)孔，因此Dy可以近似看作零．

而借鑒前面各向同性二維返混模型的計(jì)算結(jié)果，令 Dz＝8.3×10-3，伸展方向的返混系數(shù)等于徑向返混系數(shù)，即 1.21×10-3，用有限差分法求解模型，得到結(jié)果如圖3所示．

圖 3給出了 z＝400,mm 和z＝1,000,mm 2平面的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的無(wú)因次溫度的對(duì)比，因?yàn)椴捎昧烁飨虍愋阅Ｐ?，圖中計(jì)算結(jié)果分為x和y 2個(gè)方向；由此可以看到，與圖 2相比，z＝400,mm 位置的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值大為接近，z＝1,000,mm 位置與實(shí)驗(yàn)偏離稍遠(yuǎn)，但總體而言也可以接受．

圖 3的結(jié)果說(shuō)明本文用二維返混模型計(jì)算結(jié)果是合理的，也就是說(shuō)，如果測(cè)量位置遠(yuǎn)離進(jìn)口，規(guī)整填料的各向異性特征會(huì)大幅減弱，所得的軸向和徑向返混系數(shù)應(yīng)可以代表整塔的返混情況，若用該模型計(jì)算距離塔入口較近位置的溫度分布偏差較大，但這種偏差來(lái)源于規(guī)整填料的各向異性特征而不是模型本身．用相同的返混系數(shù)，采用各向異性的返混模型就可以得到相對(duì)滿(mǎn)意的結(jié)果，這點(diǎn)也從側(cè)面說(shuō)明二維返混模型得到的返混系數(shù)是可靠的．

4 結(jié) 論

(1)以熱水為示蹤劑，對(duì)填充有塑料制 250,Y板波紋規(guī)整填料的直徑1,000,mm的填料塔進(jìn)行了二維返混特性研究．實(shí)驗(yàn)中示蹤劑為穩(wěn)態(tài)連續(xù)注入，采用鉑電阻溫度探頭測(cè)定了在填料塔不同層面的溫度分布．應(yīng)用二維返混模型模擬本文填料塔的返混情況，有限差分法求解，得到了軸向和徑向返混系數(shù)．(2)由于規(guī)整填料的各向異性特征，二維返混模型計(jì)算的無(wú)因次溫度分布在距離塔入口較近的位置，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值偏差較大，這是由于模型模擬的情況和實(shí)際情況差別較大導(dǎo)致；使用相同的返混系數(shù)，應(yīng)用各向異,性的返混模型，計(jì)算結(jié)果大為改善．因此，采用二維返混模型得到的返混系數(shù)基本可靠．

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