自吸式文丘里洗滌器運動特性及強化機理的模擬研究*

鄭 毅，趙祥迪，楊 帥，趙桂利，張日鵬，王 正，袁紀(jì)武

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104)

0 含氣?；沸孤┨幹眉夹g(shù)研究進展

據(jù)不完全統(tǒng)計，2015～2019年間，全國發(fā)生?；沸孤┦鹿? 000余起，傷亡47 700余人，泄漏引發(fā)的爆炸、中毒和窒息事故數(shù)量占總事故量的1/3以上。泄漏出來的?；吠ǔＥc有毒有害、易燃易爆氣體共存，處理不當(dāng)極易引起事故擴大，增大安全處置的難度，開發(fā)高效泄漏?；窇?yīng)急處置工藝和裝置，對降低應(yīng)急處置不當(dāng)引起的事故擴大，大幅減少?；沸孤┪镆l(fā)的爆炸、中毒等次生衍生事故具有重要意義。

泄漏到環(huán)境中的氣體危化品由于濃度低，因此傳質(zhì)效率差，常規(guī)工藝與裝備無法對其進行高效處置，其強化機理一直都是研究重點。自吸式文丘里洗滌器具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、傳質(zhì)效率高、安全性高等優(yōu)點，在有毒有害氣體洗消和核電廠的放射性氣載源處置等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。根據(jù)液體與出口的高度文丘里洗滌器分為浸沒式和非浸沒式，通常由收縮管、喉部以及擴散管組成。自吸式文丘里洗滌器的性能參數(shù)與吸液壓差、液體高度、擴壓管張角、喉部間距、噴嘴出口等結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)有關(guān)。

Ali等對文丘里洗滌器洗消放射性碘離子的效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)非浸沒式文丘里只有霧化的液滴參與碘離子的吸收與脫除，而浸沒式文丘里洗滌器，液滴和液膜均參加了吸收過程，脫除效率可達99%。Lee等研究了不同水力和氣溶膠條件下，洗滌器噴嘴對吸收效果的影響，發(fā)現(xiàn)洗滌效率與氣溶膠粒徑、蒸氣質(zhì)量分數(shù)、浸沒高度以及入口氣溶膠濃度有關(guān)，凈化效率可達97%。N.P.Gulhane等發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸收液pH=10時，洗滌器對碘離子的脫除效率最好。M.Lehner的研究表明，自吸式文丘里洗滌器適合收集粉塵粒子和氣溶膠，多級注入可以提高洗滌液的分離效率。趙祥迪等開發(fā)了中式規(guī)模的氣體?；肺那鹄镂昭b置，研究了內(nèi)構(gòu)件對霧滴直徑和引射量的影響，發(fā)現(xiàn)擋板的加入減小了液滴直徑，強化霧化作用，液滴直徑平均降低了15%。

此外，為明確文丘里洗滌器內(nèi)部的流場特性和傳遞規(guī)律，CFD模擬也被用于文丘里洗滌器內(nèi)部的運動特性研究中，Ali等采用CAB模型，對文丘里洗滌器內(nèi)部的破碎特性進行了分析，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。劉傳超利用標(biāo)準(zhǔn)

k

-

ε

湍流模型對噴射器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)與噴射器性能之間的變化規(guī)律，確定了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。楊帥等采用雙流體模型和組分輸運模型研究了文丘里洗滌器對HS吸收效果的影響，發(fā)現(xiàn)最大反應(yīng)速率出現(xiàn)在喉部上擴大段長度5%處，研究也表明氣速增大，擴大段內(nèi)氣液體間化學(xué)反應(yīng)速率提高，洗滌器出口處HS濃度降低，洗滌效率增大，洗滌時間縮短。

盡管很多學(xué)者對文丘里洗滌器的吸收效果和內(nèi)部流場進行了研究，但絕大部分的研究主要集中在操作參數(shù)，擴散角以及噴嘴形式，而通過內(nèi)部微流場調(diào)控液滴直徑強化吸收的研究比較缺乏。為此，本研究利用CFD模擬，通過對?；废聪^程的核心部件-文丘里洗滌器內(nèi)部的流場進行初步分析，探明了影響文丘里洗滌器吸收效果的核心因素，詳細討論操作參數(shù)對洗滌器吸收效果的影響，發(fā)現(xiàn)文丘里洗滌器內(nèi)部流場分布的不均是影響洗滌效果的重要因素，提出了利用擋板結(jié)構(gòu)促進洗滌器氣液分散，強化氣液吸收的新思路，為?；废聪b備核心部件文丘里洗滌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供參考數(shù)據(jù)。

1 自吸式文丘里洗滌器物理模型

1.1 自吸式文丘里洗滌器基礎(chǔ)模型設(shè)置與模型選擇

建立的文丘里洗滌器模型基于前期自行開發(fā)的推車式泄漏?；废聪b備，如圖1所示。根據(jù)實驗工況，討論了氣速、喉部間距、進口壓力以及擋板分布器等對文丘里洗滌器內(nèi)部流場的影響?？紤]到實際效果選擇了以下工況進行研究，入口氣速9.1～18.4 m/s，喉部間距分別為0和13 mm，浸沒高度選取為喉管高度的入口高度差的25%～100%為研究對象，文丘里洗滌器內(nèi)設(shè)置擋板選擇實驗中效果較好的A型，具體設(shè)計參數(shù)見圖1。

圖1 文丘里洗滌器模型示意與邊界條件

1.2 自吸式文丘里洗滌器兩相流模型與邊界條件設(shè)置

選用Fluent中的雙流體模型(Mixture)對自吸式文丘里洗滌器內(nèi)氣液的流動過程進行數(shù)值模擬，氣液流動采用空氣-水體系，g和l分別代表氣體和液體，使用歐拉坐標(biāo)進行描述，連續(xù)性方程可以寫為：

(1)

(2)

式中：

ε

——相體積分數(shù)；

ρ

——密度，kg·m；

u

——真實速度，m·s；

δ

——相間質(zhì)量交換速率，kg·m·s。

動量守恒方程：

(3)

(4)

式中：

p

——壓力，Pa；

τ

——切應(yīng)力，N；

β

——相間動量交換系數(shù)。

相間動量交換系數(shù)：

(5)

式中：

F

——氣液體間曳力，N；

u

——氣體速度，m·s；

u

——液體速度，m·s。文丘里洗滌器內(nèi)氣液流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，選擇RNG

k

-

ε

模型作為湍流模型，近壁處理選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。數(shù)值模擬中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

1.3 自吸式文丘里洗滌器網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗證

為避免網(wǎng)格的尺寸對實際模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，對模型進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為151 914，230 340，418 296,590 592，入口流速為18.4 m/s。由圖2可知，流場穩(wěn)定后不同網(wǎng)格計算的引射量幾乎相同，誤差<1.5%，后續(xù)為節(jié)省計算時間用418 296的網(wǎng)格對文丘里洗滌器內(nèi)氣液流場進行模擬。從引射量和實驗數(shù)據(jù)的對比值也可以看出，除低流速階段外，構(gòu)建的模型模擬結(jié)果與實驗結(jié)果誤差都在20%之內(nèi)。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證與模型驗證

2 結(jié)果分析與討論

2.1 操作參數(shù)對文丘里洗滌器的影響

圖3～圖4為入口氣速對文丘里洗滌器內(nèi)部體積分布與湍動能的影響。對于文丘里洗滌器，流體經(jīng)過喉部后，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，壓力降低，與液體入口形成壓力差，把液體自發(fā)吸入文丘里洗滌器內(nèi)部。經(jīng)過喉部后氣液混合物流速降低，靜壓逐漸升高，經(jīng)擴散段后氣液混合物流出洗滌器。受文丘里洗滌器入射角度的影響，只有小部分液體進入中間區(qū)域，被氣體分散成液滴，而絕大部分受氣體剪切作用的影響，直接貼到了文丘里洗滌器管壁，形成連續(xù)液膜，最終在文丘里洗滌器內(nèi)部維持霧環(huán)狀流。

圖4 入口氣速液體體積分數(shù)分布

而當(dāng)氣速從9.1 m/s增加到18.4 m/s時，文丘里洗滌器喉部壓力下降明顯，壓力差增加，引射量上升，從0.11 kg/s增加到0.53 kg/s，增加了約5倍。引射量是衡量文丘里洗滌器性能的重要參數(shù)，較高的氣速有利于提高文丘里洗滌器的整體性能。研究也表明，湍動能的變化主要發(fā)生在文丘里洗滌器氣液接觸的中心區(qū)域，且隨氣速的增加而增加。這表明隨氣速增加，氣體對液體的剪切能力和霧化能力增強，單位質(zhì)量的做功能力提高，液體在中心區(qū)域的體積分數(shù)變大，中心區(qū)域的離散的總霧滴量增加，氣液界面的碰撞頻率增大，傳質(zhì)得到強化，如圖3所示。但是也必須要說明，?；窔怏w洗消是一個氣體與液體接觸傳質(zhì)的過程，化學(xué)反應(yīng)也受到接觸時間的影響，氣速增加意味著氣液接觸時間減少，吸收效果弱化。故需要進一步的研究來分析液滴霧化率和液滴直徑，獲得氣速對文丘里洗滌器吸收效果的影響。

圖3 內(nèi)部速度、壓力分布與湍動能變化規(guī)律

研究也發(fā)現(xiàn)，在文丘里洗滌器內(nèi)部，湍動能和湍流強度在洗滌器中心區(qū)域強度較大，在喉部位置處取得最大值，管壁處為最小值。表明喉部和洗滌器的中間區(qū)域是氣體與液體碰撞發(fā)生的區(qū)域，氣液脈動速度大，擾動強，為吸收的核心區(qū)域。因此，對于非浸沒文丘里而言，管壁處的液膜幾乎不參與反應(yīng)。故而，降低引射流體的貼壁作用，促進壁面處的液膜遠離壁面，進入中心區(qū)域，是提高非浸沒文丘里洗滌器氣液吸收的關(guān)鍵因素。

圖5為浸沒高度對氣液混合性能的影響。自吸式文丘里洗滌器與噴射式文丘里不同，浸沒高度代表著喉管與進液口的高度，影響著液體進入文丘里洗滌器的動力。考慮到先前開發(fā)的洗消裝備為文丘里洗滌器和填料塔并聯(lián)使用，故只討論非浸沒式文丘里洗滌器。從圖5可以看出，在相同的氣體流量下，隨著浸沒高度的降低，氣體的引射量下降，當(dāng)浸沒高度降至1/4時，引射量約為最大值的10%，因此在后續(xù)的新型洗消裝備設(shè)計上，需對系統(tǒng)進行修改，采用浸沒式進料。

圖5 浸沒高度對液體體積分數(shù)的影響

圖6和圖7為喉部間距對氣液混合性能的影響，入口氣速為18.4 m/s，喉部間距分別為0和13 mm。研究表明，喉部間距對于文丘里內(nèi)部的流場混合產(chǎn)生兩方面影響：①降低了的引射量；②改變了在文丘里洗滌器內(nèi)部的分布情況，喉間距的增加，降低了液膜在管壁附著量，增加了在文丘里洗滌器中間區(qū)域的分布。這是因為喉部間距的增加，減小了外套管的最小徑，增加了氣液兩相的流動阻力，降低了有效壓差，因此總引射量降低。隨著外套管最小徑的減小，氣液兩相在外套管擴散段入口處的流通面積降低，增大了氣體在管中心的分布，如圖7所示。增加了氣液間的碰撞概率，強化了氣-液兩相間的傳質(zhì)。

圖6 不同喉部間距時液體分布

圖7 不同喉部間距對不同平面處液體體積分數(shù)的影響

進一步的研究也表明，液體體積分數(shù)隨截面位置的不同也會產(chǎn)生明顯變化。

z

=0.2 m時，喉部出口速度較大，氣體對液體沖擊較強，絕大部分液體被推到管壁處，故喉部間距對擴散段中心區(qū)域液體體積分數(shù)影響不大。而對于離出口段更近的

z

=0.4 m界面，氣液逐漸減速，液體逐漸向中心區(qū)域靠攏，降低了壁面液膜的體積分率，對于傳質(zhì)有利。從上述的研究可以看出，對于非浸沒式文丘里洗滌器，高速運動的氣體更趨向于把引射液體推向壁面，只有少部分留在了中心區(qū)域，該部分的比例只占到了總量的5%，而由文獻的數(shù)據(jù)可知，對于非浸沒式文丘里洗滌器只有分散的霧滴才會和氣體發(fā)生傳質(zhì)，因此改變液體體積分布，促進液體向中心區(qū)運動，形成霧滴對于強化整體文丘里洗滌器具有更重要的價值。

2.2 擋板分布器對氣液混合性能的影響

研究已表明，對于非浸沒式文丘里洗滌器，受氣體剪切作用的影響，引射液體趨向于向管壁處運動，不利于與氣體接觸傳質(zhì)。故通過添加擋板式內(nèi)構(gòu)件，驅(qū)動引射液體向文丘里洗滌器中間運動，促進氣液接觸傳質(zhì)，對于強化危化品洗消具有重要意義。

圖8為擋板分布器對文丘里洗滌器內(nèi)部的液體分布的影響，對應(yīng)入口氣速為18.4 m/s。從圖8可知，受到擋板阻礙作用的影響，引射的液體無法沿著貼壁的方向通過擋板，氣體碰到擋板后會發(fā)生邊界層分離，重新返回中心區(qū)域，液體更傾向于在中央分布，形成了氣液的二次接觸和分散，引射液體的貼壁現(xiàn)象降低，使得氣-液間的碰撞概率增多。加之受擋板分布器的影響，延程阻力損失增加，引射量下降，在維持入口相同的氣速情況下，氣體對液體做功能力增加，壁面處的液膜又被重新分散成水霧，降低了液體分布的總體不均勻性。研究也表明，這種二次分散作用，隨著噴嘴距離的增加而加強。在距離噴嘴出口

z

=0.2 m處，由于離喉部較近，氣速較大，氣液混合強度大，擋板分布器對液體分布的作用不明顯，如圖9所示。但隨著距離的增加(

z

=0.4 m處)，擋板分布器對文丘里洗滌器內(nèi)部的氣液分布的效果開始增加，貼壁效應(yīng)顯著下降，壁面處液體分率從0.008降至0.004 5，液體的均勻度增加。這顯著增加了中央?yún)^(qū)域氣體和液體的接觸概率，強化了氣液界面的擾動頻率，促進了吸收傳質(zhì)。

圖8 有無擋板結(jié)構(gòu)時液體分布

圖9 徑向液體分布

3 結(jié)論

利用三維CFD模擬對非浸沒式文丘里洗滌器的引射特性、內(nèi)部壓力和速度分布規(guī)律進行了研究，詳細分析了氣速、喉部間距以及浸沒高度等設(shè)計參數(shù)對文丘里洗滌器的引射特性和氣液分布特性的影響，得到了氣液體在非浸沒式文丘里洗滌器內(nèi)部的分布特性和運動規(guī)律，提出了利用擋板分布器調(diào)控氣液體分布，強化擾動的新方法，具體結(jié)論如下。

a)非浸沒式文丘里洗滌器擴散段內(nèi)液體流動屬于霧環(huán)狀流，液體通過喉部處形成的內(nèi)外壓差進入洗滌器內(nèi)部，絕大部分液體受氣體剪切作用而緊貼管壁，少部分被高速運動的氣體分散成霧滴；引射量隨入口氣速的增加而增大，當(dāng)氣速從9.1 m/s增至18.4 m/s時，引射量增加了約5倍。

b)隨液體浸沒高度的降低，引射量下降，液體的貼壁效應(yīng)增加，當(dāng)浸沒高度為1/4時，引射量約為最大值的10%，總體傳質(zhì)效果降低；喉部間距的提高，降低了管壁液體的附著量，增加了在文丘里洗滌器中間區(qū)域的分布，提高了氣-液體的碰撞概率。

c)擋板分布器的加入改變了文丘里洗滌器內(nèi)部的氣液分布狀況，促進了的擾動，降低了液體的貼壁量，提高了均勻性，但會降低引射量，其結(jié)構(gòu)需要進一步優(yōu)化，因此添加內(nèi)構(gòu)件，調(diào)節(jié)內(nèi)部流場對于強化文丘里洗滌器的分離特性，促進?；肺眨蠓鶞p少?；沸孤┪镆l(fā)的爆炸、中毒等次生衍生事故具有重要意義。