沸石交換柱內(nèi)流體流動特性模擬

張林棟，劉傳皓

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 海水利用技術(shù)工程研究中心，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

沸石交換柱內(nèi)流體流動特性模擬

張林棟1,2，劉傳皓2

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 海水利用技術(shù)工程研究中心，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

借助計算機(jī)軟件模擬技術(shù)對流體在沸石交換柱內(nèi)的流動特性進(jìn)行研究，考察不同因素對流速徑向分布的影響．多孔介質(zhì)在沸石交換柱內(nèi)的隨機(jī)排列使得近壁處出現(xiàn)壁效應(yīng)從而引起流速徑向分布的變化．隨著海水進(jìn)口流速的增大，交換柱內(nèi)的流體徑向流速分布越寬，近壁處流速分布曲線震蕩幅度越大，在無滑動柱壁上，流速會突然降為0．顆粒直徑越大，床層空隙率最小值出現(xiàn)的位置距離壁面越遠(yuǎn)，顆粒在近壁處的排列越混亂，流速的波動距離越小，波動幅度隨粒徑的增大而增大．以Cl離子為示蹤劑對沸石交換柱內(nèi)的流體流動的相關(guān)實驗結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致．

離子交換過程；流體力學(xué)；數(shù)學(xué)模型；COMSOL 模擬；流速徑向分布

0 引言

沸石交換柱中的流體分布會對顆粒外的傳質(zhì)產(chǎn)生顯著影響．但是，很多研究忽略了這一影響因素，認(rèn)為徑向速度是一個常數(shù)[1-3]．在沸石交換柱管式反應(yīng)器中，建立沸石交換柱液相流體動力學(xué)模型時，通常將交換柱內(nèi)的流動假設(shè)成連續(xù)均勻的[4-5]．但在實際生產(chǎn)中徑向絕對均勻（如床層空隙率是常數(shù)） 的交換柱是不可能存在的[6]．即使在線性吸附條件下，實驗曲線與預(yù)測曲線之間也會出現(xiàn)偏差[7]．為了解釋這一現(xiàn)象，徑向流率的變化備受研究人員關(guān)注．

隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)建模普遍應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計和驗證實驗數(shù)據(jù)方面．對于沸石交換柱，通過編寫程序或使用商業(yè)軟件可以對流體動力學(xué)進(jìn)行計算模擬．例如，商業(yè)軟件包COMSOLMultiphysics，由于其界面比較友好，而廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)模擬計算[8]．

1 實驗和方法

1.1 沸石交換柱中的二維流動模型

對式 (3) 進(jìn)行無量綱化，變?yōu)?/p>

軸向方向上由于流動會出現(xiàn)壓強(qiáng)差，此時沸石交換柱內(nèi)的滲透率可表示為[13]

其中： 為床層空隙率；dp為顆粒直徑，m．

基于的 Ergun 的實驗結(jié)果得到的動量方程幾何函數(shù) F[14]，可以寫為孔隙率p和顆粒直徑 dp的函數(shù)，如Vafai給出的式 (6)[15]

Mueller對 Roblee、Benenati和 Brosilow 及 Ridgway 人得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，總結(jié)出僅包含一個方程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并考慮了床層直徑和顆粒直徑對空隙率變化的影響及空隙率的衰減波分布．該模型用床層與顆粒直徑比和距壁面的無因次距離表示，適用于2.61 的任意柱形隨機(jī)沸石交換柱．表達(dá)式如式 (7)[16]

1.2 實驗研究

為考察沸石交換柱內(nèi)流體流動模擬結(jié)果與實際沸石交換柱內(nèi)流體流動實驗結(jié)果之關(guān)系，對前人的試驗結(jié)果進(jìn)行了分析．由于斜發(fā)沸石對Cl離子無吸附作用，采用Cl離子作為示蹤劑，通過交換柱上采樣口取樣分析，由Cl離子濃度的徑向分布情況顯示流體流過交換柱時的流速徑向分布．

在實驗過程中，首先在儲液槽中配制質(zhì)量百分含量為 19.5%的鹽水，并用清水自上而下沖洗離子交換柱，直到出口水的Cl離子濃度與清水接近為止．然后關(guān)閉離子交換柱進(jìn)料閥，啟動鹽水泵，開啟鹽水循環(huán)閥，使鹽水在儲液槽內(nèi)自循環(huán)，并調(diào)節(jié)泵的出料閥，使流量穩(wěn)定在每次實驗的要求范圍．開啟離子交換柱進(jìn)料閥，關(guān)閉鹽水循環(huán)閥由上至下將鹽水以一定流量 （10 L/m in，20 L/m in，30 L/m in，50 L/m in） 通入已充滿清水的沸石柱．當(dāng)通入料液的液面接近采樣口時，打開采樣管的閥門，每通入鹽水5L取樣1次，測定樣品中Cl離子含量．由所得數(shù)據(jù)分析流體在柱內(nèi)的流動規(guī)律．

第 1 層采樣口實驗結(jié)束后，同理再進(jìn)行第 2，第 3、4 層采樣口的實驗，而后改變流量，重復(fù)上述實驗．

2 結(jié)果與討論

2.1 床層空隙率與流速徑向分布模擬

在隨機(jī)填充粒徑為 0.62mm的多孔介質(zhì)，填充高度為 850mm的交換柱 （40mm × 1 000mm） 內(nèi)，于20 ℃下沿交換柱軸向方向自上而下，以 270m L/m in（3.58 × 103m/s） 的速度通入清水．在穩(wěn)態(tài)條件下，徑向上床層空隙率的模擬結(jié)果分別見圖1．

由圖1可知，在沸石交換柱中，靠近壁面的顆粒分布高度規(guī)則，導(dǎo)致盡可能多的顆粒與壁面出現(xiàn)點接觸，因此此處的 =1，床層空隙率最大．在 0.5 dp處會有最多數(shù)量的顆粒中心，使得此處的床層空隙率存在最小值．依附第1層顆粒而形成的第2層顆粒，其分布情況沒有出現(xiàn)前者的規(guī)則，之后的各層分布也越來越混亂，直到在約 8 dp處形成完全隨機(jī)分布，之后的床層空隙率基本保持不變．床層空隙率的這種變化將會導(dǎo)致壁效應(yīng)的發(fā)生．

2.2 進(jìn)口流速對流速徑向分布的影響

在隨機(jī)填充粒徑為 0.62 mm 的多孔介質(zhì)，填充高度為 850mm和未填充多孔介質(zhì)的交換柱（40mm × 1 000 mm） 內(nèi)， 于 20 ℃ 下沿交 換柱軸 向方向 自上而下，分別以 200m L/m in（2.65 × 103m/s）、240m L/m in（3.18 × 103m/s）、270 m L/m in（3.58 × 103m/s）、300m L/m in（3.98 × 103m/s） 的流速通入鹽度為 35‰的海水．在穩(wěn)態(tài)條件下，進(jìn)口流速對流速徑向分布影響的模擬結(jié)果見圖2．

由圖2可知，在沸石交換柱中，海水進(jìn)口流速越大，靠近柱壁的流速也變得越來越大．但是在無滑動柱壁上，流速會突然降為0．同時，隨著流量的增加，雖然流速分布曲線類似，但震蕩幅度變得越來越大．

2.3 顆粒直徑對流速徑向分布的影響

圖1 沸石交換柱中空隙率的徑向分布Fig.1 Steady void fraction profileof radialdirection of azeolite exchange column

圖2 不同進(jìn)口流速條件下多孔介質(zhì)區(qū)內(nèi)流速的徑向分布Fig.2 Radialvariation of axialvelocity in the porousmedia area for differentvolumetric flow rates

從圖3可以看出，顆粒直徑不同，床層空隙率徑向分布曲線類似，在近壁處都會出現(xiàn)較大波動，壁面處床層空隙率都達(dá)到1，中心處床層空隙率趨于穩(wěn)定．粒徑越大，床層空隙率最小值出現(xiàn)的位置距離壁面越遠(yuǎn)，波動幅度越大，表明顆粒在近壁處的排列越混亂．

由圖4可知，顆粒直徑影響床層空隙率的變化，從而引起流速徑向分布的變化．粒徑越大，流速的波動距離越小，更容易趨于穩(wěn)定，但波動幅度隨粒徑的增大而增大．海水流速隨顆粒粒徑變化的程度比床層空隙率的大．當(dāng)粒徑很小時 （0.38 mm），波動距離與波動幅度都較小，而且吸附劑顆粒越小其外比表面越暴露，越有利于吸附過程．

圖3 不同顆粒直徑條件下沸石交換柱中空隙率的徑向分布Fig.3 Steady void fraction profileof radialdirection of a zeolite exchange column for differentparticle diameters

圖4 不同顆粒直徑條件下多孔介質(zhì)區(qū)內(nèi)流速的徑向分布Fig.4 Radialvariation of axialvelocity in the porousmediaarea for differentparticle diameters

2.4 相同流量下流體流經(jīng)沸石柱不同高度的流動特性

在流速為 9.7 m/h（即流量 30 L/m in） 下，以鹽水通過離子交換柱不同高度的體積為橫坐標(biāo)，以交換柱相應(yīng)高度處橫截面上不同位置所取試樣的 Cl離子濃度為縱坐標(biāo)作圖，可得出流過各層不同位置采樣口的流體體積與Cl離子濃度變化曲線，如圖5所示．

圖5 交換柱不同高度處的Cl離子濃度變化圖（相同流量）Fig.5 Concentration of Cl ion atdifferentheightsof theexchange column(atsame flux)

由圖5可以看出，同一流速下，流經(jīng)交換柱較高橫截面時，流體流經(jīng)交換柱較高橫截面時徑向擴(kuò)散分布明顯；而流體流經(jīng)交換柱較低橫截面時，流體軸向流動過程中，由于交換柱內(nèi)沸石的阻力，使流體徑向流速逐漸趨于相等，使徑向擴(kuò)散分布消除．

2.5 不同流量下流體流經(jīng)沸石柱不同高度的流動特性

在流量分別為 10L/m in，20L/m in，30L/m in，50L/m in 下，測定流體流經(jīng)沸石柱不同高度時體積與濃度的變化．以同一時刻鹽水通過離子交換柱的體積為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)試樣的 Cl離子濃度為縱坐標(biāo)作圖，可得出不同流量時距器壁 12 cm處Cl離子濃度隨流過體積的變化曲線圖，如圖6 所示．

由圖6 可以看出，不同流量的流體流經(jīng)距交換柱出口 1 300mm以上時，流出的流體的體積約 50L，Cl離子濃度即可達(dá)到 100 g/L，而且流出流體的體積 ＞ 50 L時Cl 離子濃度趨于平衡；而當(dāng)流體流經(jīng)距交換柱出口 330mm時，流出的流體的體積 ＞ 80 L，Cl 離子濃度才可達(dá)到 100 g/L．說明流體流經(jīng)交換柱一定高度后，流體軸向擴(kuò)散不明顯．

圖6 交換柱不同高度處的Cl離子濃度變化圖（不同流量）Fig.6 Concentration of Cl ion atdifferentheightsof theexchange column(atdifferent flux)

3 結(jié)論

本文對流體在沸石交換柱內(nèi)的流動特性進(jìn)行模擬研究．模擬結(jié)果表明，多孔介質(zhì)在沸石交換柱內(nèi)的隨機(jī)排列使得近壁處出現(xiàn)壁效應(yīng)從而引起流速徑向分布的變化．隨著海水進(jìn)口流速的增大，交換柱內(nèi)的流體徑向流速分布越寬，在無滑動柱壁上，流速會突然降為0．顆粒直徑越大，流速的波動距離越小，波動幅度隨粒徑的增大而增大．以 Cl離子為示蹤劑對沸石交換柱內(nèi)的流體流動的相關(guān)實驗結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致．

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[責(zé)任編輯 田 豐]

Simulation of the fluid flow characteristics in the zeoliteexchange column

ZHANG Lin-dong1,2，LIU Chuan-hao2
(1.Engineering Research Centerof SeawaterUtilization Technology ofM inistry ofEducation,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China;2.Schoolof Chem icalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Technology of computer software simulationwasused to research the flow properties in the zeolite exchange column.Due to the random distributionofporousmediain the fixed bed,walleffectappeared near thewall,thuscausing the changeof radial flow velocity distribution.With theincreaseofseawaterinletvelocity,flow velocity radialdistribution of fluid becamew ider.However,the flow velocity suddenly dropped to 0on thenon-slip columnwall.When theparticle diameterbecame larger,thearrangementofparticlesnear thewallwasmore confused;particlesin thenearwallarrangementweremore chaos;distance velocity fluctuationswas smaller;and wave amplitude increased w ith increase of aggregate size.The Cl ion exchangeon zeolite tracer fluid flow in the column on the related experimental resultsshow that the simulated resultsagreew ith the experimental results.

ion exchange process;hydromechanics;mathematicalmodel;COMSOL simulation;radial flow velocity distribution

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.010

1007-2373(2014)05-0055-06

TQ 013.2

A

2014-06-03

河北省自然科學(xué)基金（B2013202087）

張林棟（1949-），男（漢族），教授，Email：forzhld@163.com ．