黃磷脫砷裝置中分相器的CFD數(shù)值模擬研究

王曉靜，江 增，唐 磊

（天津大學化工學院，天津 300072）

近幾年我國市場上低砷專用磷供不應求，開發(fā)一種高效、安全、經濟的工業(yè)黃磷凈化脫砷方法已成為我國不可避免的研究課題［1］。工業(yè)黃磷中常含有硫、硅、鐵和砷等雜質，在這些雜質中，砷是最不容易除去的。此次研究借助貴州某黃磷脫砷廠提供的原料，通過文丘里兩相射流混合技術，用雙氧水連續(xù)氧化黃磷中的砷從而將工業(yè)黃磷（砷質量分數(shù)約為400×10-6）制成含砷量低（As質量分數(shù)≤10×10-6）且收率高的精制磷的一種全新工藝為背景，著重分析研究文丘里反應器輸出的雙氧水與液相黃磷的混合相在特殊的旋流分相器中的流體流動行為和分離機理。在前期研究的基礎上，在小試玻璃實驗裝置上進行了黃磷脫砷的研究，探討了系統(tǒng)中分相器操作的關鍵運行參數(shù)對分離效率的影響，為該工藝的進一步工業(yè)化放大設計提供有利的參考依據(jù)。該工藝中的液-液旋流分相器是一種離心沉降分離設備，其工作原理是利用2種液體密度的不同，將待分離的混合物以高速切向速度進入分離器，產生強大的離心力，混合液經由入口進入旋流器內，流體運動由直線運動轉變?yōu)樾D運動，在一個突然擴大的容器中，流速會降低，當主流體在圓柱筒內高速旋轉的過程中，重相介質向壁面遷移，形成外旋流，而輕相介質則被迫向軸心移動，形成內旋流，分離出的液體分別從上下兩個溢流口流出。該分相器具有結構簡單緊湊、使用方便、節(jié)能降耗、減少污染，處理量大等許多優(yōu)點。因而在石油、化工、冶金和環(huán)境等工程領域中占有十分重要的地位［2］。分相器內的流場特性是研究旋流器分離性能的關鍵依據(jù)，目前，采用計算流體力學的方法，借助計算機及相關技術，對旋流器內流場進行仿真分析具有高效、安全、受環(huán)境條件約束少等優(yōu)點［3］。

計算流體力學（CFD）通過數(shù)值方法求解流體力學控制方程（連續(xù)性方程、動量方程、能量方程），得到流場的離散的定量描述，并以此預測流體運動規(guī)律。通過這種數(shù)值模擬可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布［4］。本研究是以貴州某黃磷脫砷廠中文丘里反應器輸出的雙氧水與液相黃磷混合相通過的特殊旋流分離器為研究對象，利用CFD技術對分離器內部流場進行數(shù)值模擬。模擬流程共包括4部分：幾何建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件和結果討論。

1 CFD模擬

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

該旋流分相器在結構上包括圓柱部分（造旋段）、圓錐部分、底流管、溢流管和切向進口5部分。本研究利用Gambit軟件采用“從上到下”的建模方法，即直接建立體，然后再將整個計算域分割成多個塊（體），生成多塊的結構化網(wǎng)格。由此可得到研究對象的流動域三維模型。圖1為該分相器的結構圖。結構尺寸如表1所示。

圖1 分相器的結構圖Fig.1 The structure of the separator

表1 分相器結構參數(shù)Tab le 1 Structure parameters of phase separator

網(wǎng)格質量的好壞直接關系到模擬結果的精確程度。利用FLUENT軟件包中的GAMBIT對分相器進行網(wǎng)格劃分，畫出了分相器的整體網(wǎng)格，為了能夠生成多塊結構化網(wǎng)格，將整體計算域劃分為多塊互不重疊的子區(qū)域，即進行區(qū)域離散化，對分區(qū)域分別生成計算單元網(wǎng)格，然后再將各網(wǎng)格塊拼接生成總體網(wǎng)格體系，并使塊與塊交界面上網(wǎng)格保持一致，這便生成了分區(qū)組合網(wǎng)格，根據(jù)需要還可以對入口與圓柱筒體相切部分采用加密網(wǎng)格。劃分之后網(wǎng)格總數(shù)大概為30萬網(wǎng)格。由于計算量較大，所以需要配置較高的計算機來完成模擬。網(wǎng)格結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格結構示意圖Fig.2 G rid division model of liquid-liquid separator

1.2 湍流模型

采用連續(xù)性方程和Navier-Stokes動量方程作為控制方程進行模擬。為了使連續(xù)性方程和Navier-Stokes動量方程封閉有解，需要引入湍流模型。目前處理湍流數(shù)值計算問題有許多方法，有直接數(shù)值模擬方法（DNS方法）、大渦模擬方法（LES方法）、雷諾應力方法（RSM方法）、k-ε方法（渦方法）等。雷諾應力模型與k-ε模型相比最大的區(qū)別主要在于它完全摒棄了基于各向同性的Boussinesq渦假設，更加嚴格的考慮了流線型彎曲、渦旋、旋轉和張力的快速變化，它對于復雜流動有更高的精度預測的潛力，在很多情況下能夠給出優(yōu)于各種 k-ε模型的結果［5］。由于分相器中的流體流動是有曲率的，且具有很大切向速度，是強烈旋轉和高雷諾數(shù)的湍流運動，其湍流具有非常明顯的各向異性性質，與雷諾應力模型（RSM）相吻合［6］，因此采用 RSM湍流模型。

雷諾應力k方程和ε方程為［7］：

由此構成了RSM模型的基本封閉方程組。

1.3 邊界條件

邊界條件包括入口、出口、和固體壁面邊界條件，在對每種邊界條件量化時，要盡可能的反應出所要模擬流場的本質特性。入口邊界條件：分相器入口流量一定，在入口尺寸一定的情況下，計算得出入口速度，因此選用速度入口邊界條件；分相器雙氧水出口和黃磷出口均按自由流出條件來處理，分流比為固定值；本研究認為壁面無滑移且無滲漏，因此壁面邊界條件按固壁無滑移條件處理。

1.4 物質的物理性質

本研究所采用的物質是由貴州某黃磷脫砷廠提供的，從小試實驗裝備中文丘里反應裝置輸出的雙氧水和液態(tài)黃磷混合物。該分相器下半部分儲存黃磷，將其置于溫度為60℃左右的恒溫水浴箱中，使黃磷保持液態(tài)。由于黃磷是一種有劇毒并且接觸空氣極易燃燒的物質，所以在整個實驗過程中必須采用液封，并且在整個模擬過程中不考慮混合液中殘留的雜質物質的影響。雙氧水為連續(xù)相，黃磷為分散相。表2所示為黃磷和雙氧水的物性參數(shù)［8］。

2 結果討論

2.1 流體跡線的數(shù)值模擬

分相器內流體運動軌跡如圖3所示。由圖3可以看出，流體在分相器內是以螺旋流形式運動的，并從器壁向中心形成兩種運動方向相反的螺旋流線。雙氧水和液態(tài)黃磷混合液在強離心力的作用下，分別向相反方向運動，黃磷的密度較大，在離心力的作用下甩在壁面處，向下流向底流口形成外旋流；雙氧水密度較小，向分相器軸心處運動，向上流向溢流口形成內旋流，從而實現(xiàn)了兩相流的分離。

圖3 流體跡線圖Fig.3 Fluid trace diagram

2.2 流體的速度分析

圖4給出的是截面Z=455、400、350和300 mm（各截面位置如圖1所示）的速度分布云圖。

圖4 速度矢量分布圖Fig.4 Velocity vector of the section

從圖4各個Z截面的速度分布云圖的顏色顯示可以看出，混合液在速度入口與圓柱筒體相切處速度達到最大值，軸心位置的速度較小，旋流腔內速度大小的分布整體呈對稱性分布，但是上游區(qū)域的對稱性略差一些，速度入口側的速度較大一些，這是由于單切向入口所造成的。

在旋流器中，切向速度具有最重要的地位，不僅是因為切向速度在數(shù)值上要大于其余兩向速度，更重要的是切向速度產生的離心力是旋流器內兩相分離的前提。圖5a）為模型在速度V=3 m/s時，Z=400 mm截面處切向速度沿徑向位置的分布云圖。軸向速度對于分析分相器的性能至關重要。圖5b）所示為基本模型的軸向速度沿徑向位置的分布圖。

圖5 速度分布圖Fig.5 Velocity distribution（Z=400 mm）

由圖5a）可以看出在靠近壁面和旋流器軸心處切向速度基本為0。從軸心位置沿徑向切向速度逐漸增大，達到一個最大值，然后隨著半徑的增大，切向速度又逐漸減小，成典型的Rankine渦分布。在內旋流區(qū)域內，流體流速隨著半徑的增大而增大，切向速度呈線性增大的趨勢；而在外旋流區(qū)域內，流體流速隨著半徑的增大反會有所降低。模擬的結果與陸耀軍等［9］檢測的結果一致。

由圖5b）可以看出：軸向速度是對稱分布的，隨著半徑的不斷增大，軸向速度逐漸減小，并過度為0直到負值，壁面附近的流體速度幾乎為0。通過流體軸向速度為0的各點，可以描繪出1個圓錐形表面，即0軸速包絡面。分離器內部流場中存在著明顯的上行流和下行流。0軸速包絡面內多為上行流，該區(qū)域內的流體沿軸向向上運動，最終經雙氧水出口流出；而在其外部的液體則向下往底流口方向流動，形成外旋流［10］。對比軸向速度與切向速度分布圖5可以看出，軸向速度值明顯低于切向速度值，大概是切向速度的一半。模擬結果與 Thew［11］檢測結果一致。

2.3 壓力分布

對旋流分離器流場模擬的一個重點是對其壓力場進行分析，因為它能反映出分相器的一個重要指標-壓力損失。壓力降是反映分相器能耗的重要指標。

圖6所示為分相器旋流腔內部不同截面處靜壓力和動壓力的分布云圖。

圖6 不同截面處壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution of each section

如圖6a）所示，入口附近靜壓較大，中心軸線附近靜壓較低，在同一截面上，隨著位置半徑的增大，靜壓力逐漸增大。從圖6中還可以看出，在同一截面上，旋流器內的靜壓力基本呈中心對稱分布，外旋流的壓強較高，內旋流的壓強較低［12］；而入口部分存在一定的不對稱性，這是由于旋流器的單切向入口造成的。靜壓沿軸線方向雖然在小范圍內有所波動，但總體認為壓力不隨軸向位置的變化而改變，說明軸向壓力梯度變化不大。

從圖6b）中可以看出同一截面上動壓的分布是不完全對稱的。動壓分布與切向速度分布比較相似，入口與圓筒相切處附近動壓較大，而軸心處動壓最小，這是由于動壓與流體速度直接相關。隨著圓錐段半徑的減小，動壓力逐漸減小。沿軸線方向同一半徑的壓力并不相同，說明軸向壓力梯度變化較大。

2.4 分離效率

對于重質分散相的液-液旋流分相器，根據(jù)溢流口的凈化程度來衡量分離器分離性能的高低，它的分離效率表達式為：

如果將分流比對分離效率的影響去除，為此引入折算分離效率，表達式可表示為：

對入口速度為V=3 m/s時的模型進行計算機仿真模擬，得到混合相中黃磷的體積分數(shù)分布云圖，如圖7所示。

圖7 黃磷的體積分數(shù)圖Fig.7 Volumetic fraction distribution of dispersed phase

表3 V=3 m/s的模擬結果Tab le 3 The simu lation resu lts at velocity of 3 m/s

2.5 模擬分離效率與實驗結果的對比

由貴州某黃磷脫砷廠提供的小試實驗裝置進行了分離性能的測試。圖8所示是實驗分離效率與模擬結果的對比曲線圖。

圖8 模擬與實驗效率的對比曲線Fig.8 Comparison of simu lated and tested efficiency

從圖8中可以看出，1～3 m/s的流速時分離效率增加很快，此后入口流速繼續(xù)增大，分離效率仍會繼續(xù)增大，但是增加幅度明顯下降，但分離效率隨入口流速的增大而增大的趨勢不會發(fā)生改變，這是由于入口速度增大導致切向速度與軸向速度的增大。當流速在3～5 m/s范圍時，分離效果最佳，分離效率大概在85%左右，實際測得的分離效率比模擬的分離效率稍低，但2條曲線大體走勢相同。

3 結語

CFD技術對于提高旋流分離技術水平起到了非常重要的推動作用。利用計算機仿真技術，用流體力學分析軟件Fluent來模擬黃磷-雙氧水分相器在一定速度下的流場。著重對流體的流動特性進行了分析，通過對流場中占主導作用的切向速度和軸向速度的分析對比，進一步了解了分相器的分離原理。得出以下結論：

1）切向速度具有 Rankine組合渦的結構，在壁面和軸心處，切向速度基本為0，在內旋流區(qū)域內，沿徑向呈線性增大趨勢，在外旋流區(qū)域內，隨半徑的增大反而減小。

2）在同一截面處，軸向速度呈較好的對稱性分布，在軸心處達到最大值，沿徑向位置逐漸減小并過度到負值。

3）入口附近壓力變化較大，靜壓隨半徑的增大而增大，軸心附近靜壓較低，軸向動壓力變化梯度較大。

4）由實驗分離效率與模擬結果的對比曲線圖可知實驗測得的分離效率比模擬的分離效率稍低，但兩條曲線大體走勢相同，都是隨著速度的增加，分離效率有所增加。

符號說明：

C3ε-與局部流動方向相關的一個系數(shù)；

C1ε、C2ε、σε、σk-各參數(shù)項的系數(shù)；

ci-入口分散相濃度；

cu-溢流口分散相濃度；

k-湍動能；

G-浮力產生項；

Md-底流口分散相質量流量；

Mi-入口分散相質量流量；

P-剪應力產生項；

Qi-入口分散相流量；

Qu-溢流口分散相流量；

Sk-k方程浮力源項；

Sε-ε方程浮力源項；

t-時間；

μi-湍動；

ε-湍動耗散能；

ε′-分相器的分離效率。

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