立體傳質塔板罩外空間氣液相流場的研究

賀亮，李春利，李紅實

（1.河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學科學技術研究院，天津 300401）

立體傳質塔板罩外空間氣液相流場的研究

賀亮1，李春利1，李紅實2

（1.河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學科學技術研究院，天津 300401）

立體傳質塔板（CTST）是1種新型塔板，具有獨特梯形立體的帽罩結構．許多研究者對CTST的帽罩內的流動進行了建模和模擬計算，但是對罩外空間氣液兩相流動未進行研究，因此，本文對CTST帽罩外空間的氣相分布和液滴粒度分布進行了研究，為塔板在應用中的改進、優(yōu)化和創(chuàng)新奠定基礎．文中首先建立了罩外空間流場流動的數學模型，并用Fluent軟件進行數值模擬，得出了罩外空間的氣體分布和液滴粒徑分布規(guī)律．并通過熱膜測速儀測量系統(tǒng)和高速攝像技術對其進行了實驗研究，實驗結果表明，實驗值與理論值是一致的，驗證了本文所建罩外空間氣液兩相流數學模型及所得出相關規(guī)律的正確性．

立體傳質塔板（CTST）；罩外空間；流場；氣相分布；液滴粒度分布

droplet size distribution

0 前言

塔設備是工業(yè)生產中非常重要的氣液傳質設備，在制藥、煉油、化工等領域有著廣泛的應用．立體傳質塔板（CTST）為先進的大通量高效立體傳質塔板，其梯形立體的帽罩結構，將氣液傳質區(qū)域拓展到整個塔板空間范圍，創(chuàng)立以空間傳質為特征的氣液流動及傳遞過程的體系，達到了擴能增效、節(jié)能降耗的效果．通過CTST與近年來國內外[1-8]開發(fā)的新型塔板及性能參數進行對比，可以看出立體傳質塔板板效率、板壓降和操作彈性均處于較優(yōu)水平（見表1），并且其在工業(yè)上的應用也取得了良好的經濟效益．前面的研究者[9]對立體傳質塔板的罩內流動情況進行了研究，得出了其液膜流動特征和提升段液滴分布規(guī)律，但沒有對罩外空間氣液兩相流動進行研究，對于立體傳質塔板罩外空間的粒度分布的研究也很不夠，因此，為了使塔板在應用中的進一步完善，本文主要在前人研究的基礎上，對罩外空間氣相分布和液滴粒度分布的數學模型開展研究，并運用Fluent軟件進行數值模擬，得到了罩外空間氣體分布和液滴粒徑分布的規(guī)律，為塔板進一步改進、創(chuàng)新打下良好理論基礎．

表1 國內外各種新型塔板的性能參數比較Tab.1New type of column tray's performance comparison at home and abroad

1 CTST罩外空間氣液相流場CFD模型的建立

立體傳質塔板（CTST）帽罩結構示意圖及操作工況示意圖如圖1和圖2所示．

圖1 CTST帽罩結構示意圖Fig.1Schematic map of CTST's cap

圖2 CTST操作工況示意圖Fig.2Work state of CTST

隨著氣液兩相在罩內向上流動，兩相之間的相互作用明顯增強，與帽罩的分離板碰撞后，折返從噴射板和分離板之間的上通道向兩側斜下方噴出罩外，再與從噴射孔噴出的氣體碰撞后，向下流動過程中與塔壁碰撞；一部分氣體向上流動進入分離板上部，另一部分氣體形成漩渦又和噴射孔噴出的氣體匯聚再與塔壁碰撞．罩間的氣體從噴射孔和上通道噴射出罩后，在罩間激烈地對噴碰撞，然后分流與塔壁碰撞后進入分離板上部．液體主要是從噴射孔以及在分離板與噴射板之間由氣體夾帶而出．其與塔壁或相鄰罩間液體碰撞后一部分回落到塔板上，一部分被氣相提升．

結合以上分析，立體傳質塔板罩外空間流動情況氣相為連續(xù)相，液滴為分散顆粒，兩相流動屬于離散體系；而顆粒軌道模型很好地考慮了這種情況下兩相之間的相互影響，故確定采用顆粒軌道模型進行氣液兩相流場CFD模擬．

1.1 顆粒軌道模型中連續(xù)相的控制方程和湍流封閉模型

顆粒軌道模型包括2部分，連續(xù)相以及分散相顆粒的質量、動量守恒方程．各方程如下．

質量守恒方程為

式(3)和式(4)中，Gk代表平均速度梯度產生的湍動動能生成項．

1.2 顆粒相的控制方程

離散顆粒的守恒方程主要包括以下幾個方程．

顆粒的質量守恒方程為式中：upn代表顆粒流速垂直于流道界面的分量；Np代表通過流道的顆粒數總通量；n代表垂直出口的單位向量．

顆粒的動量守恒方程為

1.3 流場中的湍流擴散方程

目前應用較為廣泛的是軌道模型[10]，考慮到梯形立體傳質塔板上復雜的帽罩結構的影響，對于流場中顆粒的湍流擴散，采用隨機軌道模型進行計算．

瞬時顆粒動量方程為

1.4 顆粒粒徑分布方程

上限對數正態(tài)分布函數合理應用了對數分布方程在預測粒度分布趨勢及平均粒徑方面好的結果，很好地描述了液滴粒度分布情況，因此本文顆粒粒徑選用上限正態(tài)分布函數來進行描述．

1.5 液滴碰撞和聚并

在非穩(wěn)態(tài)模擬中，采用Rourke[11]提出的顆粒組方法計算碰撞液滴數及碰撞結果．

1.6 液滴破碎

立體傳質塔板在正常操作時，相互碰撞的液滴之間相對速度會較小，本文確定選擇適于這種情況的泰勒類比破碎模型（TAB）來描述液滴的破碎．在此液滴振動遵循方程(8)

上述式(1)～式(8)即為立體傳質塔板罩外空間兩相流場的數學模型，包括連續(xù)相的控制方程、湍流封閉模型、顆粒相控制方程式、流場中的湍流擴散方程、粒徑分布方程、液滴碰撞和聚并方程以及液滴破碎方程．

2 罩外氣相分布和液滴粒度分布的CFD數值模擬方法

本文在建立的數學模型基礎上，采用FLUENT軟件進行求解，對所研究的立體傳質塔板進行了CFD模擬．求解過程包括3個部分：1）對于求解對象進行網格劃分，確定求解區(qū)域；2）對于研究對象確定其邊界條件，并對之進行離散化處理；3）進行迭代計算，輸出結果．

2.1 網格劃分

作為CFD處理的第1步驟，首先需要對物理模型進行網格劃分．因立體傳質塔板三罩組合較為常見，在這里確定模擬對象為1個塔節(jié)內的3個CTST帽罩．

2.2 邊界條件

本文的計算區(qū)域為1個塔節(jié)的區(qū)域，邊界條件為：

1）氣相進口邊界條件

設進口處氣相速度分布是均勻的，則對于軸向速度uin有

對于徑向速度vin有

進口k以及邊界條件的確定采用半經驗式[12]，而對于進口無漩渦的擴散型流動的情況，其邊界條件用下式表示

2）壁面邊界條件

壁面邊界條件多采用Nallasamy法[13]，以下式表示

3）出口邊界條件

以表壓計

2.3 數值計算方法

對于所建立的數學模型，運用FLUENT軟件進行求解．運用“有限體積法”對偏微分方程進行離散化處理，并將之轉化為線性方程，然后采用SIMPLE方法求解．為使計算具有較高精度，壓力求解、動量及k、求解均采用二階迎風算法．

3 數值模擬結果

3.1 罩外氣相分布模擬結果

本文對立體傳質塔板罩外流場的氣相速度分布進行了CFD模擬計算．為了更加清楚的了解氣體在帽罩外的流動過程，分別作了X=0 mm和Y=0 mm截面上的氣體流動示意圖，如圖3和圖4所示．圖中主要從速度分布等勢面、速度分布的矢量圖來分析（其中X截面表示噴射罩罩體的橫向截面；Y截面表示噴射罩罩體的縱向截面；Z截面表示噴射罩罩體的高度截面．）

圖3 X=0 mm處的速度分布圖Fig.3Velocity distribution on plane X=0 mm

圖4 Y=0 mm截面氣體速度分布圖Fig.4Velocity distribution on plane Y=0 mm

從以上X=0 mm和Y=0 mm截面氣體流動示意圖中可以看出，氣體在進帽罩后快速上升之后，與帽罩的分離板碰撞；然后折返從噴射板和分離板之間的上通道向兩側斜下方噴出罩外，再與從噴射孔噴出的氣體碰撞后，向下流動過程中與塔壁碰撞；一部分氣體向上流動進入分離板上部，另一部分氣體形成漩渦又和噴射孔噴出的氣體匯聚再與塔壁碰撞．可以看出塔壁面處速度較大，由于氣體流動過程是水平擴散過程，隨著流動的進一步進行，氣體速度也進一步減小．罩間的氣體從噴射孔和上通道噴射出罩后，在罩間激烈地對噴碰撞，然后分流與塔壁碰撞后進入分離板上部．從圖中可以看出，罩間氣體的速度比較大，分離板上部氣體速度比較小，這主要是因為分離板的阻擋造成了流動的死區(qū)．立體傳質塔板（CTST）的特殊結構和噴射操作工況使其塔板的空間利用率提高到50%～70%，進一步大大增強了傳質．

同時通過不同高度截面的速度分布圖對不同高度的速度分布情況進行了研究．圖5為立體傳質塔板（CTST）分離板上部不同高度截面氣體速度分布示意圖．從圖中可以看出氣體在帽罩上部的流動過程是：氣體自下而上的垂直流動和水平方向擴散運動的復合結果．在Z=195 mm和Z=235 mm截面上存在幾個速度較低的區(qū)域，靠近壁面處速度較大．高度越高，氣體開始擴散，氣體的速度分布開始均勻一些；而在Z= 275 mm截面上，在X=0.1～0.25 m處出現3個速度較大的區(qū)域，在Z=315 mm截面上這幾個區(qū)域的速度達到10 m/s左右，這部分區(qū)域的速度是造成塔的霧沫夾帶現象的主要原因，如果能通過改變噴射罩的排列方式等方法把該速度減小，即會減小塔的霧沫夾帶．

圖5 不同高度截面的速度分布圖Fig.5Velocity distribution on different Z planes

3.2 罩外空間液體粒度分布的模擬結果

3.2.1 模擬結果

圖6～圖9為粒度分布模擬結果．從圖6～圖7來看，直徑小于2 mm的液滴占大多數．氣相速度對液滴粒度分布的影響較為明顯，氣速增加，小液滴所占比重越大，說明液體的分散程度越高．在相同氣速、不同液層高度情況下，隨著液層高度的增加，液滴分散程度稍有降低，但并不很明顯．

分析圖8～圖9，液滴破碎所需要的力和能量均來源于氣體，因此氣速增加，氣體對液體產生更大的剪切力，同時氣體又具有更多的能量使液滴破碎，而且高氣速時液體提升量相對較少，這就使被提升的液體破碎得更為分散；而板上液層高度增加時，液體提升量增加，但是氣體速度和能量并沒有改變，因此液滴的分散程度就相對較低了．

圖6 不同氣速時液滴粒度的數量分布Fig.6Droplet size distribution on number at different uo

3.2.2液滴粒度分布函數檢驗

圖7 不同氣速液滴體積分布情況Fig.7Droplet size volume distribution on fraction at different uo

為了方便起見，用分布函數來描述液滴粒度的分布規(guī)律．當液滴粒度分布規(guī)律符合某種分布函數時，對應液滴分布參數的數據點在相應坐標系下應呈直線關系．圖10給出了u0=10 m/s、hL=50 mm時，相關液滴粒度分布參數與各種分布函數符合程度的對比．從這4種典型的分布函數的檢驗結果來看，罩外空間的液滴粒度分布規(guī)律更適于用上限對數正態(tài)分布函數來描述．幾種不同操作條件下的粒度分布結果用上限對數正態(tài)分布回歸，相關系數均在0.989以上．

圖8 不同液層高度時液滴粒度分布Fig.8Droplet size distribution on number different hL

圖9 不同液層高度液滴體積分數分布情況Fig.9Droplet size distribution on volume fraction at different hL

圖10 液滴粒度分布規(guī)律的檢驗Fig.10Droplet size distribution verification

4 實驗研究

4.1 實驗裝置

實驗裝置如下：物系為空氣-水系統(tǒng)，塔為直徑570mm的有機玻璃塔．通過高速攝像儀將CTST噴射即時狀態(tài)拍照，獲得液滴的瞬時信息，通過數字圖像處理技術，對液滴位置及其運動相關數據進行監(jiān)測．主要設備還有鼓風機和水泵，測量設備有微壓差計、熱膜測速儀、高速攝像儀以及采集設備等．實驗流程及裝置如圖11所示．

實驗的流程為：氣體自鼓風機壓入進入實驗塔，經分布板、板孔，自下而上進入罩體，再從噴射孔及頂部通道噴出．實驗液體由輸水管直接加入板上，液體經過提升、噴射，絕大部分落回板上，一少部分被上升氣體卷帶濺出，濺出液體量由輸入水量補充，水由水泵從塔底儲水槽打入塔頂降液管進入實驗板，與氣體充分接觸后從降液管流回至塔底儲水槽中，循環(huán)使用．

圖11 實驗流程示意圖Fig.11The diagram of the experimental set-up

4.2 實驗值與理論值的比較

本文選擇了有代表性的截面（Z=235mm）對立體傳質塔板帽罩上部空間速度分布的實驗值和理論值進行了比較，如圖12所示．這是因為Z=235 mm界面是立體傳質塔板罩頂空間上最為關鍵性的截面，該截面上氣相分布的情況可以直接反映罩外空間的分布情況及液滴粒度的分散情況．由圖可見，平均誤差為3%．因此實驗值與理論值吻合較好說明所建立的數學模型是正確的．

圖12 不同操作情況下模擬值與實驗值的比較Fig.12Comparison of the result between CFD and experiment

5 結論

本文研究了新型立體傳質塔板罩外空間的氣液流動特征，建立了罩外空間氣相分布和液滴粒度分布的數學模型．所建立的數學模型有以下幾個特點：1）對CTST罩外空間流動情況作了詳細的分析，所建模型能準確描述罩外氣相分布和液滴粒度分布，提高了CFD模擬計算的精度；2）由于立體傳質塔板噴射罩的特殊結構，罩外的氣相分布模型的封閉采用了RNG k-湍流模型，液滴分布采用了隨機軌道模型進行模擬計算，這種模型的建立更加準確的描述了罩外的流動情況；3）對于液滴的粒度分布考慮了液滴的碰撞、破碎和聚并，以使模擬結果更能描述液滴的狀態(tài)．

理論計算中，結合所建立數學模型，對立體傳質塔板（CTST）罩外空間氣相速度分布和液滴粒度分布進行了數值模擬，對帽罩橫向、縱向、罩間及各高度截面速度分布結果進行了分析；同時從液滴粒徑的研究得出其分布的基本規(guī)律為CTST在噴射工況下直徑小于2 mm的液滴占大多數，且液滴粒度分布更合適上限對數正態(tài)分布函數．

此外，通過熱膜測速儀和高速攝像技術對立體傳質塔板（CTST）的罩外氣相速度分布和液滴粒度分布進行了實驗研究．將實驗結果與理論結果進行比較，結果表明實驗值與理論值吻合較好，證明了本文所建數學模型的正確性．

符號說明:

[1]劉繼東，李春利，李柏春，等．新型立體傳質塔板罩內壓力分布和氣液提升機理的研究[J]．化學工程，2004，32（1）：1-5．

[2]Zhao Z B，Liu Y C．Performance detection system of tray precision seeder based on machine vision[J]．Transactions of the Society of Agricultural Machinery，2014，45：24-28．

[3]Li J，SunL Y，Ma Z H，et al．Hydrodynamicandmass transferperformance of enhancedjet tray[J]．AdvancedMaterials Research，2011，219：697-700．

[4]Sun L Y，L L X，Yang D，et al．Study on performance of louver jet tray[J]．Chemical Engineering，2008，36（1）：13-16．

[5]Du P H，Du J T．Application of spraying tridimensional successive mass transferring-tray in saturation-hot water tower[J]．Chemical Engineering，2007，35（4）：5-9．

[6]WangAJ，Li QS，WuHL，etal．Researchofhydrodynamicperformanceforrectangularverticalsievetray[J]．PetrochemicalTechnology，2005，34（2）：148-151．

[7]LiuBT，LiuCJ．Three dimensionalsimulationofliquidflowondistillationtray[J]．ChineseJournalofChemicalEngineering，2002，10（5）：517-521．

[8]KrishnaR，VanBatenJM．Modellingsievetrayhydrodynamicsusingcomputationalfluiddynamics[J]．ChemicalEngineeringResearchandDesign，2003，81（1）：27-38．

[9]劉繼東．立體傳質塔板罩內氣液兩相流動及傳質過程的研究[D]．天津：天津大學，2008．

[10]周力行．湍流兩相流動和燃燒的數值模擬[M]．北京：清華大學出版社，1991．

[11]O'Rourke P J．Collective drop effects on vaporizing liquid sprays[R]．Los Alamos National Lab，NM（USA)，1981．

[12]劉大有．兩相流體動力學[M]．北京：高等教育出版社，1993．

[13]尹曄東，王運東，費維揚．計算流體力學（CFD）在化學工程中的應用[J]．石化技術，2000，7（1）：166-169．

[責任編輯 田豐]

Study on the gas-liquid phase flow field outside the cap space of CTST

HE Liang1，LI Chunli1，LI Hongshi2

(1.School of ChemicalEngineeringandTechnology,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China;2.InstituteofScientific and Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

The combined trapezoid spray tray(CTST)is a new type of tray colum with special trapezoid tridimensional structure cap.Though some researchers have established modeling and analog computation for the two-phase flow in the CTST'scap,they havenot carried onresearchonthe gas-liquid two-phaseflowoutsidethe capspace ofCTST.Therefore, this article studies the gaseous phase distribution and droplet size distribution outside the cap space of CTST to make the basis for the tray's improvement in the application.Firstly,it establishes the mathematical model of the flowfield outside the cap,and then uses Fluent software to conduct numerical modeling and gets the information about the gas distribution and the droplet size distribution.Further more,the experiment was conducted by using the hot filmanemometrymeasure system and the high speed photography technology.The experiment result shows that the simulation value is consistent with the experimental value and proved the correctness of the mathematical model and relevant theory.

combined trapezoid spray tray;space outside the cap of CTST;flow field;gaseous phase distribution;

TQ053.3

A

1007-2373(2015)03-0070-09

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.014

2015-02-28

河北省自然科學基金（2006000018）

賀亮（1973-），男（滿族），博士生，heliang6020@126.com．

數字出版日期：2015-06-17數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150617.0945.002.html