新型多降液管塔板的流體力學(xué)性能及其流場(chǎng)CFD模擬

尹洪賀，沈紹傳，齊亮，姚克儉

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310032）

20 世紀(jì)60 年代，美國聯(lián)合碳化公司開發(fā)了帶有懸掛式矩形降液管的多降液管（MD）塔板。20世紀(jì)70 年代，浙江工業(yè)大學(xué)在MD 塔板的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DJ 系列塔板。這些多降液管塔板具有高液相處理能力的特點(diǎn)，很快在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。在對(duì)多降液管塔板的進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，由于多降液管塔板上相鄰塔板的降液管垂直布置，液體在塔板上會(huì)呈90°旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，進(jìn)而形成一個(gè)擴(kuò)散流動(dòng)梯形區(qū)，造成液體向兩邊擴(kuò)散流動(dòng)，導(dǎo)致塔板上液體分布不均勻，從而影響塔板效率。國內(nèi)外已經(jīng)提出了許多特殊結(jié)構(gòu)以改善多降液管塔板上的液流分布，如UOP 公司開發(fā)的ECMD 塔板，通過在鼓泡區(qū)的中間加設(shè)導(dǎo)向孔，讓部分氣體從孔中吹出，將液體推向降液管；浙江工業(yè)大學(xué)開發(fā)的DJ 系列塔板通過在受液區(qū)安裝導(dǎo)流板，改善液體的流場(chǎng)分布，進(jìn)而提高了塔板效率。這些結(jié)構(gòu)在一定程度上改善了多降液管塔板上的液體流場(chǎng)分布，而塔板上導(dǎo)流裝置的設(shè)置增加了塔板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，流場(chǎng)均勻性仍有待提高。究其原因，多降液管塔板上液體流動(dòng)的均勻性主要受降液管的結(jié)構(gòu)和排布方式影響。為了改善多降液管塔板流場(chǎng)均勻性，本文在MD 塔板的基礎(chǔ)上改進(jìn)了降液管的結(jié)構(gòu)和排布方式，開發(fā)了一種流場(chǎng)均勻且液相通量大的新型多降液管塔板。

本文從實(shí)驗(yàn)和模擬兩個(gè)角度對(duì)新型多降液管塔板進(jìn)行了研究，考察了新型多降液管塔板的流體力學(xué)性能，即清液層高度（）、干板壓降（Δ）、濕板壓降（Δ）、霧沫夾帶和漏液；通過CFD模擬了塔板上液相流場(chǎng)特征，為該塔板的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 新型多降液管塔板的結(jié)構(gòu)

新型多降液管塔板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，直徑為1219mm，184 個(gè)圓形固定閥在板上均勻排布。相鄰兩塊塔板開孔率相同，結(jié)構(gòu)不同，分為A、B板。塔板上降液管與MD 塔板相比較短，能夠減少橫向的液體速度梯度，降液管呈平行排列，使得板上液體以更接近平推流的方式流動(dòng)。相鄰塔板的降液管交替布置，液體在塔板上的流量分配是由單根降液管的溢流堰長決定的。塔板的設(shè)計(jì)遵循等流道長度原則，可以保證每塊鼓泡區(qū)域的氣液比接近相等，有利于獲得更好的塔板操作性能。整塊塔板液體相互連通，使得塔板上液層均勻。鼓泡元件采用折邊圓形固定閥。

圖1 新型多降液管塔板結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

在內(nèi)徑為1219mm的有機(jī)玻璃塔內(nèi)，以空氣和水為介質(zhì)在常溫常壓下對(duì)新型多降液管A、B塔板進(jìn)行流體力學(xué)性能研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。三塊新型多降液管塔板安裝在塔內(nèi)，測(cè)試A板時(shí)，三塊塔板安裝方式由上至下為BAB；測(cè)試B板時(shí)，安裝方式為ABA。實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)霧沫夾帶收集板流出的液量確定霧沫夾帶特性，根據(jù)從漏液收集板流出的液量確定漏液狀況。塔內(nèi)氣量通過孔板流量計(jì)確定，液體流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀出，板壓降通過U形壓差計(jì)得到。通過調(diào)節(jié)閥門開度得到不同氣液負(fù)荷下新型多降液管塔板的流體力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在空塔動(dòng)能因子（）0～3.2(m/s)·(kg/m)、全塔噴淋密度（）40～80m/(m·h)的條件下進(jìn)行。新型多降液管塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)和弓形降液管塔板計(jì)算所用參數(shù)見表1。

表1 新型多降液管塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 清液層高度

即塔板持液量，其變化直接影響塔板的壓降、霧沫夾帶和漏液，可以通過其變化趨勢(shì)判斷板上氣液接觸狀態(tài)，是最為重要的塔板水力學(xué)性能之一。圖3 給出新型多降液管塔板A、B 板的在不同下，隨閥孔動(dòng)能因子（）的變化關(guān)系。在一定的下，=3(m/s)·(kg/m)左右時(shí)，塔板漏液快速減少，呈直線式增長，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中觀察到板上出現(xiàn)液層均勻鼓泡的現(xiàn)象，說明此時(shí)氣液接觸狀態(tài)為自由鼓泡態(tài)。隨著繼續(xù)增大，鼓泡程度加劇，泡沫層中的小氣泡不斷碰撞融合成大氣泡，大氣泡在浮力的作用下上升，最終破碎成液滴，在塔板上方的氣相空間內(nèi)形成氣相連續(xù)而液相分散的噴濺區(qū)，使得緩慢下降。在相同的下，隨著的增加，液相負(fù)荷增大，增加。在=80m/(m·h)時(shí)，隨著氣速的增大，大量的液體鼓起后被拋入降液管，受降液管液相負(fù)荷的限制，大量的液體在降液管內(nèi)堆積，進(jìn)而引發(fā)降液管液泛，導(dǎo)致板上持液量快速增高。由圖3可知，在=60m/(m·h)時(shí)，隨著氣速的增大，弓形降液管塔板的降液管到達(dá)液相負(fù)荷上限，導(dǎo)致板上持液量快速增高。而新型多降液管塔板的溢流周邊是弓形降液管塔板的4.5 倍左右，其液相處理能力遠(yuǎn)大于弓形降液管塔板。當(dāng)=80m/(m·h)且>11(m/s)·(kg/m)時(shí)才接近降液管液相負(fù)荷上限，板上持液量增加。

圖3 新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的hcl

2.2 干板壓降

Δ是單一氣相條件下氣體通過塔板遇到阻力造成的能量損失，與塔板的開孔率有關(guān)。新型多降液管塔板A、B 板和弓形降液管塔板的Δ隨的變化見圖4。由圖4可知，隨著的增大，Δ逐漸升高。在塔板開孔率相同的情況下，A、B 板和弓形降液管塔板的Δ十分接近。

圖4 新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的Δpd

根據(jù)Prince關(guān)聯(lián)式(1)如下。

式中，為氣相密度，kg/m；為液相密度，kg/m；為閥孔氣速，m/s；為孔流系數(shù)。

采用關(guān)聯(lián)式(1)對(duì)A、B 板的Δ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到A、B 板的孔流系數(shù)（）與相關(guān)系數(shù)（R）：A 板，=0.4854、=0.9948；B 板，=0.4900、=0.9903。

圖5為新型多降液管塔板A、B板Δ的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比。由圖5可知，新型多降液管塔板A、B 板Δ的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的最大相對(duì)誤差為5.64%。

圖5 新型多降液管塔板A、B板Δpd的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值

2.3 濕板壓降

影響Δ的因素有氣速、溢流強(qiáng)度、堰高與液體性質(zhì)等。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了A、B板在不同下的Δ隨的變化情況，結(jié)果見圖6。在不同的下，A、B板在<3(m/s)·(kg/m)時(shí)，隨著的逐漸增加，閥孔漏液大量減少，板上液層增高，氣體穿過液層的動(dòng)能損失迅速增大，Δ快速升高。當(dāng)>3(m/s)·(kg/m)時(shí)，繼續(xù)增大氣量，板上鼓泡程度加劇，觀察實(shí)驗(yàn)塔板出現(xiàn)明顯的界面，界面之上是噴濺區(qū)，噴濺區(qū)隨著增大逐漸向上方氣相空間擴(kuò)散，噴濺區(qū)內(nèi)氣液碰撞劇烈，氣體的動(dòng)能損失增加，Δ緩慢增加，此時(shí)的氣液充分接觸有利于加強(qiáng)傳質(zhì)。在相同的下，隨著的增加，Δ增大，這是由于液相負(fù)荷增高使得板上持液量增大，氣體穿過液層的動(dòng)能損失增大。在=80m/(m·h)且>11(m/s)·(kg/m)時(shí)，Δ陡然增高。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)流體流動(dòng)狀況、濕板壓降變化特性和板上持液量迅速升高的情況，判斷此時(shí)出現(xiàn)了降液管扼流現(xiàn)象。由圖6可知，在相同的氣液負(fù)荷下，由于板上液層高度低，新型多降液管塔板的Δ要小于弓形降液管塔板。

圖6 新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的Δpw

對(duì)于空氣-水體系，計(jì)算Δ的關(guān)聯(lián)式，見式(2)。

式中，,,,為參數(shù)；為閥孔動(dòng)能因子，(m/s)·(kg/m)；為溢流堰高度，m。

在實(shí)驗(yàn)過程中固定不變，因此式(2)又可以簡化為式(3)。

采用關(guān)聯(lián)式(3)對(duì)A、B 板的Δ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到方程式(4)。

在實(shí)驗(yàn)條件下，=3～16(m/s)·(kg/m)內(nèi)，=0.9178。圖7 為新型多降液管塔板A、B 板Δ的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比。由圖可知，新型多降液管塔板A、B 板Δ的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值最大相對(duì)誤差為9.93%。

圖7 新型多降液管塔板A、B板Δpw的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值

2.4 霧沫夾帶

過量的霧沫夾帶會(huì)導(dǎo)致塔板效率明顯降低。霧沫夾帶量的大小決定了塔板的操作上限。圖8為不同下，A、B 板的與霧沫夾帶量的變化關(guān)系。由圖可知，相同下，A、B 板的霧沫夾帶量均隨著增大而增大。在相同的下，隨著的增大板上持液量增加，兩板間距一定，此時(shí)塔板氣相空間被壓縮，噴濺的液滴更容易被上升的氣體帶入上層塔板。在=80m/(m·h)且>2.2(m/s)·(kg/m)時(shí)，發(fā)現(xiàn)液體完全封住了降液管口，塔板壓降劇增，板上持液量飛快攀升，液層上部劇烈湍動(dòng)，噴射而起的液滴直接進(jìn)入上層塔板，從而霧沫夾帶量快速上升；在=2.4(m/s)·(kg/m)時(shí)，霧沫夾帶量達(dá)到上限。對(duì)比圖中A、B板和弓形降液管塔板的霧沫夾帶量，可知A、B板的氣液負(fù)荷上限要遠(yuǎn)高于弓形多降液管塔板。

圖8 新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的霧沫夾帶量

2.5 漏液率

漏液率反映的是塔板氣相負(fù)荷下限。少量漏液對(duì)塔板效率影響不大，但漏液過多則不然，其原因主要有開孔率太大、氣速太低和板上液層分布不均。新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的漏液率見圖9。由圖可知，相同下，新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的漏液率均隨著的增大略微增大。氣速較低時(shí)，弓形降液管塔板的板上持液量更大，所以漏液率大一些，隨著氣速的進(jìn)一步增大，塔板開孔率相同，新型多降液管塔板A、B 板和弓形降液管塔板的漏液率接近。不變時(shí)，新型多降液管塔板A、B 板上液體連通，板上液層均勻且持液量小，其漏液率要低于弓形降液管塔板。

圖9 新型多降液管塔板A、B板和弓形降液管塔板的漏液率

3 新型多降液管塔板液相流場(chǎng)的CFD模擬

塔板液相流場(chǎng)的均勻程度很大程度上決定其塔板效率的高低。本文通過CFD對(duì)新型多降液管塔板和MD塔板液相流場(chǎng)進(jìn)行模擬，比較兩類塔板的板上液相流場(chǎng)分布狀況。

3.1 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

利用ICEM 建模軟件按照實(shí)驗(yàn)塔板的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)建立物理模型，新型多降液管塔板A、B板和MD塔板的網(wǎng)格劃分見圖10，計(jì)算域內(nèi)采用8mm非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格。在=60m/(m·h)、堰高=0.05m的條件下進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。本文所模擬新型多降液管塔板A 板網(wǎng)格數(shù)為676438，B 板網(wǎng)格數(shù)為683180，MD 塔板網(wǎng)格數(shù)為556609。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

圖10 新型多降液管塔板A、B板和MD塔板的網(wǎng)格劃分

在傳質(zhì)模型內(nèi)部，液流會(huì)發(fā)生劇烈湍動(dòng)，故采用Realizable-湍流模型。液相采用水為介質(zhì)，液相入口處邊界條件設(shè)置為速度入口，出口處的邊界條件設(shè)置為壓力出口，操作壓力為常壓。塔壁設(shè)為無滑脫壁面邊界條件，采用二階迎風(fēng)格式處理對(duì)流項(xiàng)，使用SIMPLE 算法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解，計(jì)算殘差值為0.001，松弛因子為默認(rèn)值，時(shí)間步長設(shè)為0.002s。模擬中對(duì)清液層高度進(jìn)行瞬態(tài)監(jiān)測(cè)。以清液層高度較平穩(wěn)時(shí)作為判定計(jì)算收斂的依據(jù)。

3.2 模擬結(jié)果與流場(chǎng)均勻性分析

圖11 給出了新型多降液管塔板A、B 板和MD塔板在=60m/(m·h)的條件下-剖面=51mm時(shí)液相流場(chǎng)的速度矢量分布對(duì)比。由圖可知，新型多降液管塔板A、B板的單個(gè)降液管長度短，這消除了橫向的速度梯度，降液管在塔板上平行排布，使得液體在塔板上接近平推流動(dòng)，這大大提高了塔板上流場(chǎng)的均勻性，可以看到板上液體相互連通，板上液層均勻。不過在模擬中也發(fā)現(xiàn)來自相鄰鼓泡區(qū)域的兩股流體在交匯時(shí)由于流速差形成了小漩渦。而MD塔板上流體從受液區(qū)往兩邊擴(kuò)散流動(dòng)，中間流速較為緩慢，板上流場(chǎng)并不均勻。綜合來說，新型多降液管塔板的流場(chǎng)均勻性更好。

圖11 新型多降液管塔板A、B板和MD塔板X-Y剖面Z=51mm液相流場(chǎng)分布對(duì)比

為了定量比較新型多降液管塔板與MD塔板流場(chǎng)的均勻程度，此處引入用來描述截面流場(chǎng)分布特性的流場(chǎng)均勻性指數(shù)，相關(guān)公式見式(5)～式(7)。

式中，為面積加權(quán)平均速度，m/s；為質(zhì)量加權(quán)平均速度，m/s；v為截面上單元的速度矢量，m/s；A為截面上單元的面積矢量，m；為截面總面積，m；ρ為截面上單元的流體密度，kg/m；為截面上單元面數(shù)量。其中值在0～1之間變化，越大表示截面流場(chǎng)越均勻。

和可由Fluent 計(jì)算得到，圖12 給出了塔板上和隨著截面高度的增加的變化趨勢(shì)。圖13 是新型多降液管塔板A、B 板和MD 塔板的對(duì)比圖，可以看出在相同的下，新型多降液管塔板A、B 板的要高于MD 塔板與上述得到的模擬結(jié)果相符。

圖12 新型多降液管塔板A、B板和MD塔板X-Y剖面Z方向上的Va和Vm

圖13 新型多降液管塔板A、B板和MD塔板X-Y剖面Z方向上液相流場(chǎng)均勻性對(duì)比

定量分析進(jìn)一步說明了新型多降液管塔板比MD塔板的流場(chǎng)均勻性更好?？梢灶A(yù)測(cè)新型多降液管塔板是一種塔板效率更高的多降液管塔板。

4 結(jié)論

新型多降液管塔板A板和B板的結(jié)構(gòu)參數(shù)都比較接近，通過實(shí)驗(yàn)和CFD 分析確認(rèn)了兩塊板的各項(xiàng)流體力學(xué)性能比較接近。

（1）在MD塔板的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了降液管結(jié)構(gòu)和排布方式，開發(fā)了一種塔板流場(chǎng)更均勻的新型多降液管塔板。

（2）新型多降液管塔板關(guān)聯(lián)式中Δ和Δ的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值較為吻合，其各項(xiàng)流體力學(xué)性能明顯優(yōu)于弓形降液管塔板。其繼承了多降液管塔板高液相負(fù)荷的特點(diǎn)，在=2.4(m/s)·(kg/m)的高氣相負(fù)荷下，液相負(fù)荷可達(dá)80m/(m·h)。

（3）利用CFD軟件對(duì)新型多降液管塔板和MD塔板上的液相流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算模擬與定量分析，發(fā)現(xiàn)新型多降液管塔板具有液流分布更為均勻的優(yōu)勢(shì)。

（4）新型多降液管塔板的流體力學(xué)性能優(yōu)良，流場(chǎng)均勻，是一種綜合性能優(yōu)異的多降液管塔板。接下來還需對(duì)新型多降液管塔板開展相關(guān)的熱模實(shí)驗(yàn)，以確定其塔板效率。

符號(hào)說明

——截面總面積，m

A——截面上單元的面積矢量，m

——孔流系數(shù)

——空塔動(dòng)能因子，(m/s)·(kg/m)

——閥孔動(dòng)能因子，(m/s)·(kg/m)

——清液層高度，mm

——溢流堰高度，m

——全塔噴淋密度，m/(m·h)

——截面上單元面數(shù)量

——相關(guān)系數(shù)

——閥孔氣速，m/s

——面積加權(quán)平均速度，m/s

——質(zhì)量加權(quán)平均速度，m/s

v——截面上單元的速度矢

,,,——參數(shù)

——流場(chǎng)均勻性指數(shù)

——?dú)怏w密度，kg/m

——液體密度，kg/m

ρ——截面上單元的液體密度，kg/m

Δ——塔板的干板壓降，Pa

Δ——塔板的濕板壓降，Pa