氨氣化學(xué)吸收過程氣液兩相流的數(shù)值模擬

張海亮，鄭曉明，何小榮

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

氨氣是尿素醇解法(尿素與乙二醇的酯化)制備碳酸乙烯酯(重要的精細(xì)化工中間體)反應(yīng)的副產(chǎn)物[1]。工業(yè)生產(chǎn)中，常將氨氣在鼓泡塔中通過磷酸的化學(xué)吸收而除去，以推動正反應(yīng)進(jìn)行，達(dá)到提高主產(chǎn)物碳酸乙烯酯收率的目的[2]。因氨氣與磷酸的反應(yīng)速率極快，因此，該化學(xué)吸收過程受NH3向磷酸的傳質(zhì)過程控制，強(qiáng)化傳質(zhì)是提高NH3吸收效率的關(guān)鍵。工業(yè)上常采用強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌，起到強(qiáng)化傳質(zhì)過程的作用，其原因是攪拌能增大氣液兩相的湍動度，并且能夠拉伸、分解氣液相界面，從而增大相界面積，使等量氣體在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相界面參與傳質(zhì)。

NH3在吸收塔內(nèi)的鼓泡吸收過程是典型的氣液兩相流動過程。計(jì)算流體動力學(xué) (Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是氣液兩相流問題的重要研究方法，其實(shí)質(zhì)是通過求解質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等流體力學(xué)的基本控制方程[3]，從數(shù)值模擬的角度來實(shí)現(xiàn)對流體流動及傳質(zhì)傳熱特征的研究。本文應(yīng)用CFD商用軟件FLUENT6.3，對攪拌條件下NH3在磷酸中鼓泡吸收的氣液兩相流過程及吸收傳遞特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，為NH3化學(xué)吸收效率的強(qiáng)化提高提供了理論研究依據(jù)。

模擬計(jì)算過程分兩步進(jìn)行：

(1)應(yīng)用多重參考系(MRF)模型[4]模擬得到攪拌吸收過程的三維流場。

(2)通過加載固定值邊界條件的UDF(User Defined Function)程序，建立等同于三維流場值的準(zhǔn)三維初始流場。在準(zhǔn)三維流場下，應(yīng)用流體體積函數(shù)(VOF)多相流模型[5]，并加載傳質(zhì)及非均相反應(yīng)UDF程序，來模擬NH3的鼓泡吸收過程。

1 三維流場模擬

1.1 計(jì)算區(qū)域物理模型

攪拌吸收裝置假設(shè)為圓柱形槽體。攪拌吸收槽D×H=200mm×250mm；攪拌軸直徑15mm，高200mm，末端距槽底50mm，槳葉四片，長寬高分別為35mm、15mm、4mm，每個(gè)葉片相對于攪拌軸的軸對稱平面傾斜45°。槳葉轉(zhuǎn)動作用下三維流場的模擬用MRF多重參考系法，這種方法需要將計(jì)算區(qū)域劃分為轉(zhuǎn)動部分和靜止部分[6]。轉(zhuǎn)動部分是包括槳葉區(qū)域附近的一個(gè)小圓柱體，其高和半徑均為70mm，其余區(qū)域即是靜止部分。計(jì)算域的網(wǎng)格劃分使用Gambit軟件完成，采用TGrid-Tet/Hybrid混合網(wǎng)格[7]。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 NH3鼓泡攪拌吸收裝置三維物理模型的網(wǎng)格劃分

1.2 三維流場的模擬結(jié)果

設(shè)置攪拌軸的轉(zhuǎn)速為420rad/min，計(jì)算得到吸收裝置內(nèi)的流場如圖2所示。圖中給出了吸收裝置不同橫截面上的流場形態(tài)。

從圖2的速度矢量分布圖可以看出，以槳葉轉(zhuǎn)動區(qū)域?yàn)橹行模詹蹆?nèi)的液相流體形成了一個(gè)逆時(shí)針流動的大漩渦流，其中槳葉區(qū)附近的流速較大，在0.2m/s以上，最大流速出現(xiàn)在槳葉頂端。液相主體在槳葉的帶動下整體不斷地湍動。從圖2中的壓力分布圖可以看出，槳葉正面區(qū)域和背面區(qū)域有著很明顯的壓力差異，其中槳葉正面區(qū)域?yàn)檩^高的正壓力區(qū)，背面區(qū)域?yàn)樨?fù)壓力區(qū)。就整體流場的壓力分布而言，攪拌軸附近區(qū)域的壓力較低、甚至呈負(fù)壓狀態(tài)，隨著半徑的增大流場內(nèi)的壓力分布也逐漸升高。

(a) 過槳葉中心橫截面上的速度矢量分布 (b) 過槳葉中心橫截面上的壓力分布

2 NH3鼓泡吸收過程氣液兩相流的準(zhǔn)三維模擬

2.1 準(zhǔn)三維初始流場的建立

要想在三維模型中模擬單個(gè)氣泡的變化，運(yùn)算量非常大。為提高計(jì)算效率，同時(shí)又能夠應(yīng)用三維模擬的結(jié)果來計(jì)算氣泡變化，采用基于三維模擬計(jì)算的準(zhǔn)三維模型[8]。其做法是，從三維模型中抽取一個(gè)有代表性的二維豎直截面，另加載固定值邊界條件，計(jì)算得該平面的流場分布；在此基礎(chǔ)上應(yīng)用VOF模型追蹤氣液兩相的界面在該二維流場中的變化，最終得到氣泡與流場相互作用的結(jié)果。因?yàn)槌龜嚢栎S區(qū)域外，吸收裝置基本上是一個(gè)軸對稱體系，所以在此只選用了二分之一截面作為計(jì)算區(qū)域。該區(qū)域分為槳葉區(qū)和外圍區(qū)，其中槳葉區(qū)賦以邊界條件，包括初始的速度和湍流值[6]。計(jì)算收斂得到的穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)三維流場如圖3所示。這個(gè)流場就是接下來氣泡流動非穩(wěn)態(tài)模擬所用的初始流場。

與圖2中三維流場豎直截面的速度分布相比較，可以看出其分布和數(shù)值都是基本一致的，即槳葉上下區(qū)域各有一個(gè)漩渦流，上方漩渦強(qiáng)于下方漩渦，槳葉區(qū)的速度在0.2m/s以上，流場的速度最大值在槳葉頂端處取得，并且流場整體的流向也與三維模擬所得結(jié)果一致。這就是轉(zhuǎn)速420rad/min的條件下所得到的旋轉(zhuǎn)流場。這一切充分說明應(yīng)用此準(zhǔn)三維流場模擬吸收裝置中氣液兩相流傳質(zhì)及反應(yīng)的可行性。

2.2 NH3鼓泡吸收過程的模擬及結(jié)果分析

以上述準(zhǔn)三維流場作為氣泡非穩(wěn)態(tài)模擬的初始流場，應(yīng)用VOF模型模擬追蹤氣液界面變化的過程，同時(shí)加載傳質(zhì)及非均相反應(yīng)UDF程序。迭代的時(shí)間步長取0.0001s，過程持續(xù)0.6s(600ms)，每10ms記錄一次氣泡計(jì)算結(jié)果。計(jì)算所得的氣液相體積分?jǐn)?shù)等值線如圖4。圖中分別給出了t=0ms，50ms，110ms，150ms何200ms時(shí)刻的氣泡，氣泡初始半徑為5mm。

(a) 準(zhǔn)三維流場的速度矢量分布 (b) 準(zhǔn)三維流場的速度等值線分布

圖4 攪拌吸收條件下不同時(shí)刻N(yùn)H3的體積分?jǐn)?shù)等值線及氣泡形狀(氣泡初始半徑5mm)

圖中紅色區(qū)域?yàn)榱姿嵋合嘀黧w，初始時(shí)刻氣泡自槳葉上方進(jìn)入流場中參與反應(yīng)吸收過程(圖4a)。氣泡鼓入后，首先進(jìn)入槳葉區(qū)，在槳葉強(qiáng)烈的湍動作用下，氣泡在傳質(zhì)的同時(shí)被拉伸、破裂，并隨槳葉區(qū)下方的逆時(shí)針漩渦流而呈流線運(yùn)動，相界面積大幅增加，NH3吸收速率加快(圖4b)。破裂后的成串氣泡處在槳葉區(qū)上方，因這里也存在一個(gè)逆時(shí)針的強(qiáng)漩渦流，成串的小氣泡在這一渦流帶動下繼續(xù)運(yùn)動，并開始沿渦流流線逐漸散開，直至最后呈不規(guī)則的分散狀(圖4c,d)。整個(gè)過程中NH3氣相始終在發(fā)生傳質(zhì)和反應(yīng)吸收的作用，所以氣泡的體積一直在不斷縮小。最終，經(jīng)歷約200ms的時(shí)間后，整個(gè)氣泡被吸收殆盡(圖4e)。

從圖4可以很直觀地觀察到NH3氣泡在強(qiáng)湍流作用下被拉伸直至破裂的過程。兩相流動的湍動程度因漩渦流的存在而提高，氣液相界面積隨氣泡的拉伸破碎而不斷增大，使NH3的吸收得到強(qiáng)化。

3 結(jié)論

應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)的方法，對NH3(尿素醇解法合成碳酸乙烯酯的副產(chǎn)物)在磷酸中化學(xué)吸收的氣液兩相流過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，在強(qiáng)烈機(jī)械攪拌下進(jìn)行鼓泡吸收時(shí)，NH3氣泡不斷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)渦流運(yùn)動，氣液兩相流的湍動強(qiáng)度顯著增大；并且，在強(qiáng)湍動流場的作用下，單個(gè)氣泡被拉伸變形成條帶狀以致最終破碎成多個(gè)更小的氣泡，氣液相界面積大幅增加，NH3的傳質(zhì)速率大大加快。這兩方面因素的作用使得NH3氣泡的體積迅速消失，NH3的化學(xué)吸收得到強(qiáng)化。