雙筒旋流吸收器內(nèi)筒直徑的優(yōu)化*

□ 郭建章 □ 孫書(shū)強(qiáng) □ 趙祥迪

1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

2.中國(guó)石化安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，重大環(huán)境污染事件頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)環(huán)境污染和破壞事件每年發(fā)生 1 440～2 000件［1］，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大威脅。其中，二氧化硫或硫化氫等危險(xiǎn)氣體泄漏所造成的污染事件危害大、范圍廣、處理難度大。傳統(tǒng)氣液吸收裝置以塔裝置為主，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、操作便利、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，但塔內(nèi)氣液兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度及相界面更新速度較慢，導(dǎo)致裝置的生產(chǎn)能力和傳質(zhì)效率較低［2］，因而塔裝置難以應(yīng)對(duì)上述污染事件。20世紀(jì)80年代末，超重力裝置的問(wèn)世提高了氣液傳質(zhì)效率，但其能耗高，且穩(wěn)定性與可靠性較差［3］，同樣不適于處理上述污染事件。因此，需要開(kāi)發(fā)一種新型高效處理裝置，用以應(yīng)對(duì)上述污染事件。

旋流吸收器在除塵、分離方面的應(yīng)用已有上百年的歷史［4］，近年來(lái)開(kāi)始作為反應(yīng)裝置使用［5］。 旋流產(chǎn)生的離心力場(chǎng)具有強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)的作用［6］，雙筒旋流吸收器基于旋流強(qiáng)化傳質(zhì)原理，采用內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu)，既充分發(fā)揮旋流強(qiáng)化傳質(zhì)的作用，又增加氣液接觸時(shí)間，從而達(dá)到高效吸收的目的。旋流吸收器作為一種靜裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。筆者借助FLUENT軟件，對(duì)雙筒旋流吸收器的流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究了不同內(nèi)筒直徑對(duì)裝置性能的影響，為裝置的進(jìn)一步優(yōu)化及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 雙筒旋流吸收器模型

1.1 物理模型

雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主體由內(nèi)外兩個(gè)圓筒組合而成，外筒采用切向進(jìn)氣，內(nèi)筒采用兩個(gè)180°蝸殼引導(dǎo)進(jìn)氣，相當(dāng)于兩個(gè)旋流吸收器串聯(lián)組合。在外側(cè)的環(huán)形空間內(nèi)布置上下相對(duì)的三組噴嘴，內(nèi)側(cè)布置上下兩個(gè)噴嘴。裝置運(yùn)行時(shí)，吸收液由噴嘴噴出，形成霧化液滴，同時(shí)待處理氣體沿外筒壁從上部切向進(jìn)入，受到器壁的約束，氣流由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，在環(huán)形空間內(nèi)形成旋流。當(dāng)氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到裝置底部時(shí)，經(jīng)蝸殼引導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)筒。在內(nèi)筒對(duì)待處理氣流進(jìn)行二級(jí)吸收，同時(shí)完成除霧，最后由出口排出。

1.2 數(shù)學(xué)模型

旋流吸收器內(nèi)部流場(chǎng)屬于三維強(qiáng)旋流，具有強(qiáng)烈的非均勻性和各向異性特點(diǎn)?；诖?，筆者選用基于各向異性的雷諾應(yīng)力模型。雷諾應(yīng)力模型通過(guò)求解雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程來(lái)封閉基本方程，可以計(jì)算各獨(dú)立的雷諾應(yīng)力分量，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)具有良好的預(yù)測(cè)效果。

▲圖1 雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)

噴嘴霧化的液滴體積相對(duì)于待處理氣體所占比例遠(yuǎn)小于10%，因此選用離散相模型描述液滴運(yùn)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡(jiǎn)單，當(dāng)顆粒有較復(fù)雜的變化經(jīng)歷時(shí)，能較好地追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)。

旋流吸收器內(nèi)液滴影響連續(xù)相湍流的分布，模擬中要注意氣相與液滴的相互作用，因此考慮連續(xù)相與離散相之間的雙向耦合。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

雙筒旋流吸收器的內(nèi)筒直徑是影響裝置性能的關(guān)鍵參數(shù)，筆者設(shè)置內(nèi)筒直徑Di變化范圍為160～240 mm，其余雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。利用ICEM CFD軟件進(jìn)行前處理，由于雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采用分區(qū)網(wǎng)格劃分方法，劃分約100萬(wàn)個(gè)六面體網(wǎng)格單元［7］。圖2所示為內(nèi)筒直徑200 mm的雙筒旋流吸收器網(wǎng)格劃分。

表1 雙筒旋流吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 邊界條件與差分格式

入口邊界設(shè)置為沿入口截面法向速率27.5 m/s，湍流強(qiáng)度3.65%。出口處流動(dòng)已充分發(fā)展，因此設(shè)置出口邊界時(shí)，除壓力外的物理量在出口截面處法向梯度均為0。采用無(wú)滑移邊界，壁面粗糙度設(shè)置為0.5，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。離散相邊界條件設(shè)置為液滴接觸到壁面即停止跟蹤。

連續(xù)相為不可壓縮空氣，密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.789 4×10-5Pa·s。 離散相為液態(tài)水，壓力速度耦合采用Simple算法，壓力插補(bǔ)格式采用Presto!，其它項(xiàng)采用Quick離散格式。

▲圖2 雙筒旋流吸收器網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

3.1 內(nèi)筒直徑對(duì)液相均布程度的影響

吸收液與待處理氣體接觸越充分，液相分布越均勻，就越有利于吸收。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差因數(shù)Cv表征裝置內(nèi)液相均布程度［8］：

式中：xi為測(cè)點(diǎn)參數(shù)值；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

環(huán)形空間內(nèi)噴嘴數(shù)量多，空間大，屬于吸收氣體的主要區(qū)域，應(yīng)充分考察內(nèi)筒直徑對(duì)環(huán)形空間內(nèi)液相均布程度的影響。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差因數(shù)時(shí)，考察噴霧充分展開(kāi)的區(qū)域，且取多個(gè)面求平均值。由于內(nèi)外噴嘴布置高度不同，因此選取不同截面考察液相分布情況。圖3與圖4所示分別為環(huán)形空間與內(nèi)筒的液相分布情況，可知隨著內(nèi)筒直徑的增大，環(huán)形空間中噴霧覆蓋效果逐漸變差，而內(nèi)筒中噴霧均能較好地覆蓋整個(gè)截面。

標(biāo)準(zhǔn)偏差因數(shù)曲線如圖5所示，可知環(huán)形空間內(nèi)的液相均布程度隨內(nèi)筒直徑的增大而降低，且內(nèi)筒直徑大于200 mm后，液相均布程度下降較快，這主要是因?yàn)閹缀我蛩氐挠绊?。噴嘴始終均布于環(huán)形空間中部，環(huán)形空間隨內(nèi)筒直徑增大而減小，使大量噴霧直接觸壁形成壁流，而當(dāng)內(nèi)筒直徑增大到一定程度后，實(shí)心錐形噴霧對(duì)空間的覆蓋效果降低，使液相均布程度迅速下降。

內(nèi)筒的液相均布程度隨內(nèi)筒直徑增大而提高，這主要是因?yàn)閮?nèi)部流場(chǎng)變化的影響。內(nèi)筒直徑增大，而排氣管直徑不變，由于旋流場(chǎng)中的最大切速度面與排氣管的假想延長(zhǎng)面基本重合［9］，在離心力的作用下，內(nèi)筒中部液相濃度高而外圍濃度低，因此內(nèi)筒液相均布程度隨內(nèi)筒直徑增大而提高。

可見(jiàn)，內(nèi)筒直徑不宜大于200 mm，這樣才能保證環(huán)形空間中氣相與液相的充分接觸，且內(nèi)筒液相均布較好，可避免處理空間的浪費(fèi)，提高裝置性能。

3.2 內(nèi)筒直徑對(duì)二次流的影響

二次流是普遍存在于自然界及流體工業(yè)過(guò)程中的一種現(xiàn)象，數(shù)值仿真結(jié)果表明，外側(cè)的環(huán)形空間中存在向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的二次流，如圖6所示。二次流占據(jù)一定的處理空間，會(huì)降低裝置的效率。

旋流場(chǎng)內(nèi)靜壓徑向梯度大，軸向梯度小，氣流軸向運(yùn)動(dòng)的阻力較小，旋轉(zhuǎn)氣流運(yùn)動(dòng)到裝置底部后，受到裝置下端面的阻擋而反彈，具有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。此外，相對(duì)于環(huán)形空間，內(nèi)筒進(jìn)氣口面積有限，部分旋轉(zhuǎn)氣流不能及時(shí)進(jìn)入內(nèi)筒而向上運(yùn)動(dòng)，在環(huán)形空間中形成二次流。

如圖 7所示，較大的內(nèi)筒直徑可以使二次流面積減小。這是由于氣流運(yùn)動(dòng)到裝置底部后繼續(xù)向內(nèi)加速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)筒直徑越小，加速過(guò)程越顯著，不能及時(shí)進(jìn)入內(nèi)筒的氣流就越多，二次流現(xiàn)象也就越明顯。

3.3 內(nèi)筒直徑對(duì)壓降的影響

▲圖3 環(huán)形空間液相濃度分布情況

▲圖4 內(nèi)筒液相濃度分布情況

▲圖5 標(biāo)準(zhǔn)偏差因數(shù)曲線

▲圖6 二次流示意圖

▲圖7 二次流面積曲線

壓降是評(píng)價(jià)裝置性能的重要指標(biāo)，優(yōu)化裝置時(shí)，應(yīng)選擇能耗少、壓降低的結(jié)構(gòu)，以節(jié)約運(yùn)行成本。如圖8所示，隨著內(nèi)筒直徑的增大，壓降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

▲圖8 壓降曲線

旋流吸收器壓降的產(chǎn)生原因是多方面的，從能量角度分析，氣流高速旋轉(zhuǎn)引起的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能損失與排氣管內(nèi)的能量損失占較大比重［10］?；陔p筒旋流吸收器的結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒可視為獨(dú)立的旋流吸收器，其直徑小，且氣速遠(yuǎn)高于外側(cè)。排氣管位于內(nèi)筒，內(nèi)筒中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能損失與排氣管內(nèi)的能量損失占總損失的比重較大，是裝置壓降的主要來(lái)源。數(shù)值模擬時(shí)，排氣管直徑不變而內(nèi)筒直徑增大，排氣管與內(nèi)筒直徑比減小，使內(nèi)筒中的旋流得到加強(qiáng)，旋流吸收器內(nèi)部氣速提高［11］，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能損失增加，使壓降增大。但內(nèi)筒直徑增大到一定程度后，氣流因旋轉(zhuǎn)半徑增大而速度降低，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能損失減小，因此壓降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

筆者研究了內(nèi)筒直徑對(duì)雙筒旋流吸收器內(nèi)液相均布程度、二次流及壓降的影響，主吸收區(qū)域環(huán)形空間內(nèi)的液相均布程度及二次流均隨內(nèi)筒直徑增大而降低，內(nèi)筒中液相均布程度則隨內(nèi)筒直徑增大而提高，裝置壓降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。綜合各因素，內(nèi)筒直徑為200 mm時(shí)，能保證良好的液相均布程度，使二次流現(xiàn)象較弱、壓降較低，在低能耗工況下實(shí)現(xiàn)旋流場(chǎng)內(nèi)氣液相的良好接觸，使裝置性能最優(yōu)。