揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）催化裝置性能fluent流體數(shù)值分析

吳興祥 劉冬 原光輝 張亮

通訊作者：劉冬，1997年5月，男，漢族，安徽池州人，就讀于上海海事大學(xué)，碩士。研究方向：電氣工程。

基金項(xiàng)目：港口機(jī)械與海工裝備智能裝配關(guān)鍵技術(shù)研究及其示范應(yīng)用（18040501600）;臨港新片區(qū)高新產(chǎn)業(yè)和科技創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目（SH-LG-GK-2020-37）。

摘 要：通過對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）收集處理裝置三維建模，并運(yùn)用fluent流體數(shù)值分析方法，對(duì)VOCs催化設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，催化床用多孔介質(zhì)等效替換，其結(jié)果表明，其內(nèi)置流場(chǎng)速度分布與入口布置，流域形狀，多孔介質(zhì)層數(shù)直接相關(guān)。合理的入口布置與流域形狀有利流場(chǎng)流速的均勻性，多孔介質(zhì)的層數(shù)越多其流速均勻性越好。

關(guān)鍵詞：VOCs;fluent;流域形狀;多孔介質(zhì);流速均勻性;

一、引言

油漆間工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的揮發(fā)性有害氣體，會(huì)不同程度影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境和人們的生活環(huán)境水平，對(duì)于有害氣體的收集和處理顯得愈發(fā)重要，同時(shí)新的公約標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工業(yè)區(qū)有害氣體的排放有進(jìn)一步要求，針對(duì)這些要求，公司研發(fā)生產(chǎn)了一套VOCs（volatile organic compounds）收集處理裝置。為了更可靠更方便更有科學(xué)依據(jù)說明此套設(shè)備的性能，現(xiàn)對(duì)其展開研究與分析。

而催化設(shè)備在整套設(shè)備中是關(guān)鍵設(shè)備之一，催化設(shè)備工作性能的好壞直接影響整套設(shè)備的性能。催化設(shè)備中催化劑[1，2]為貴金屬整體式蜂窩型模式，模擬時(shí)采用多孔介質(zhì)形式來引入此模型。VOCs與空氣混合氣體從裝置進(jìn)口流入，經(jīng)過蜂窩型催化劑，再經(jīng)過熱交換器流出。其冷卻氣體進(jìn)出口就是裝置從油漆間收集后的混合氣體，在熱交換器處先進(jìn)行預(yù)加熱，同時(shí)對(duì)催化裝置出口起到冷卻的作用。而催化劑的催化效果與處理混合氣體的含VOCs氣體的均勻程度，以及流經(jīng)催化劑區(qū)域的流速分布情況有關(guān)，不同流速會(huì)影響催化劑的催化效率[3]，同時(shí)流速分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致整體式催化劑的利用效率下降。

為了研究其催化裝置的流場(chǎng)特性[4，5，6]，需要對(duì)其展開分析與研究，而采用fluent數(shù)值分析的方法，會(huì)更加直觀了解整個(gè)裝置流場(chǎng)分布和工作特性。

二、模型

為了準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際裝置工作時(shí)的流場(chǎng)特性，需要對(duì)裝置流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行三維建模，根據(jù)其裝置實(shí)際情況來搭建三維裝置流域[7]。同時(shí)為了減少相應(yīng)的無關(guān)計(jì)算量，對(duì)其局部等小細(xì)節(jié)對(duì)裝置流場(chǎng)分析影響很小的局部區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化、優(yōu)化。同時(shí)對(duì)催化區(qū)域通過引入多孔介質(zhì)模型[8]來等效替代其在流場(chǎng)中對(duì)流體流動(dòng)特性的效果。根據(jù)實(shí)際裝置建立以下相關(guān)的流道區(qū)域模型，如圖1所示。

如圖1（a）所示為催化床的邊界情況，包括混合氣體進(jìn)口、混合氣體出口、冷卻氣體進(jìn)出口和多孔介質(zhì)模擬蜂窩型催化劑。

如圖1（b）所示為催化床的尺寸參數(shù)，尺寸信息如上圖所示，總高2337 mm，最大寬度860 mm，催化劑區(qū)域?yàn)?55 mm。下部為熱交換器，冷混合氣體從換熱板間隔空隙中流過，催化燃燒后氣體從換熱板內(nèi)部區(qū)域流過，再?gòu)幕旌蠚怏w出口排出。

如圖1所示，均直接定義催化床的內(nèi)部流體區(qū)域模型，外部殼體不顯示在流體模型場(chǎng)景中。

三、Fluent邊界條件確立

整個(gè)系統(tǒng)的流量與抽氣機(jī)的風(fēng)量直接相關(guān)，假設(shè)在理想狀況下的系統(tǒng)流量完全由抽氣機(jī)的風(fēng)量決定，設(shè)定整體系統(tǒng)的入口風(fēng)量：

Q風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，Sin入口截面面積。將5000 m3/h，以及半徑r = 0.075 m，代入式中，求得Sin = 0.0177 m2，解得υV = 78.6 m/s;見圖2。

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的VOCs濃度，來定義混合氣體的各組分含量，在此實(shí)例中，選用甲苯來代表整個(gè)VOCs的組分，來模擬催化處理裝置流道的流動(dòng)分布情況。測(cè)得室內(nèi)VOCs氣體濃度為200 mg/m3，把其換算為進(jìn)口質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下一立方米空氣質(zhì)量大約為1.29 kg/m3，其進(jìn)口甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 mg/1.29 kg = 0.0155%，見圖3。

四、網(wǎng)格無關(guān)性分析

在fluent數(shù)值分析中，通過把流域離散為眾多單元區(qū)域的形式來計(jì)算其流場(chǎng)特性，而數(shù)值離散的方法會(huì)使其解算結(jié)果與真實(shí)值存在誤差。所以離散單元的數(shù)目會(huì)直接影響求解精度，在理論上，網(wǎng)格數(shù)目越多其求解精度越高，但是過高的求解精度會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量無限制的增大，影響求解速度和電腦的資源配置。在滿足一定精度的網(wǎng)格數(shù)目和優(yōu)良的求解速度之間取得一個(gè)平衡就至關(guān)重要。研究單元網(wǎng)格數(shù)與出口流速的無關(guān)性。

如表1所示，當(dāng)網(wǎng)格尺寸達(dá)到20 mm后時(shí)，其出口流速變化趨于穩(wěn)定。

五、流場(chǎng)分析

假設(shè)VOCs收集處理裝置混合氣體經(jīng)過緩沖，過濾吸附裝置到達(dá)催化裝置入口時(shí)，已經(jīng)混合均勻，且比較穩(wěn)定。在此文分析中著重針對(duì)催化裝置內(nèi)部流場(chǎng)速度分布進(jìn)行分析。因?yàn)樗俣鹊姆植记闆r直接，影響催化裝置的催化效果包括催化轉(zhuǎn)換效率，以及整體催化劑的利用率。同時(shí)為催化劑的布置以及VOCs催化氧化仿真模擬提供理論依據(jù)。

如圖4所示為催化裝置內(nèi)部整體流速分布情況。催化裝置進(jìn)口流速很高達(dá)到80 m/s，且入口處速度波動(dòng)比較劇烈，根據(jù)上述云圖觀察，顏色鮮明處，速度流速較大，此催化裝置多孔介質(zhì)上部氣體流速差異較大，局部流速明顯。由于進(jìn)口的布置，會(huì)導(dǎo)致氣體流速分布不均勻。同時(shí)由于進(jìn)口流速較高，導(dǎo)致其他低流速區(qū)域云圖顏色變化狀況并不明顯，但并不意味著流速分布均勻。下面對(duì)催化裝置催化區(qū)域進(jìn)行局部分析。

如圖5與圖6所示，多孔區(qū)域由于入口布置的影響，遠(yuǎn)離入口端的混合氣體流速比靠近入口段的混合氣體流速明顯較大。同時(shí)上層多孔區(qū)域局部流速速度差明顯高于下層多孔區(qū)域流速速度差。上層多孔區(qū)域局部流速最高流速大致為5.278 m/s，最低流速大約為1.3 m/s，已接近四倍的流速差異。而下層多孔區(qū)域局部流速最高流速大約為2.162 m/s，最低流速大約為1.5 m/s。由此可見，在多孔區(qū)域處流速分布不均，且局部差異較大。而下層多孔區(qū)域流速分布均勻性比上層多孔區(qū)域更加均勻。

為了觀察混合氣體流經(jīng)多孔介質(zhì)時(shí)其黏性阻力對(duì)速度分布的影響，在多孔區(qū)域Z軸方向上，每隔0.16米建立一個(gè)平面，從左到右總共5個(gè)平面用來檢測(cè)多孔區(qū)域上層混合氣體流速分布情況。

如圖7所示，下端的云圖顏色數(shù)目明顯小于上端的云圖數(shù)目，且下端云圖最高流速低于上端的最高流速，且顏色越深的區(qū)域，其流速等高線變化越明顯。說明在經(jīng)過多孔介質(zhì)時(shí)，由于存在粘性阻力，對(duì)流速區(qū)域均勻性存在積極的影響。同時(shí)流速越高時(shí)，其效果越明顯。

在多孔區(qū)域Z軸方向上，每隔0.16米建立一個(gè)平面，從左到右總共5個(gè)平面用來檢測(cè)多孔區(qū)域下層混合氣體流速分布情況。

如圖8所示，在上層多孔區(qū)域的流體阻力的影響下，流速等高線變化不大，同時(shí)其云圖顏色跨度也進(jìn)一步下降，下層多孔介質(zhì)中的速度分布均勻性明顯上升。

為了觀察混合氣體流經(jīng)多孔介質(zhì)時(shí)速度局部分布的情況，在多孔區(qū)域Y軸方向上，每個(gè)多孔區(qū)域建立三個(gè)平面，從上到下總共6個(gè)平面用來檢測(cè)多孔區(qū)域混合氣體流速分布情況。

如圖9所示，受入口布置和流域形狀的影響，在上層多孔介質(zhì)區(qū)域，出現(xiàn)兩個(gè)局部速度較大的流域，其上層的流域均勻性較差，局部流域速度差異較大且變化明顯。

其下層多孔介質(zhì)也存在一個(gè)局部流速較大的區(qū)域，但相對(duì)于上層多孔介質(zhì)而言，其流速均勻性也得到了很大改善，其最大流速區(qū)域面積也大幅度增大，流速均勻性得到一定的保證。且速度變化范圍也大大降低。

六、結(jié)論

通過fluent數(shù)值分析的方法，對(duì)VOCs催化裝置進(jìn)行仿真分析，并得到如下結(jié)果。

第一，在此VOCs收集處理裝置中，催化裝置的流速分布由于進(jìn)口的布置情況，出現(xiàn)局部流速差異較大的情況，流速分布不均勻，遠(yuǎn)離入口處流速比靠近入口處偏大。

第二，催化劑的多層布置，對(duì)流速均勻性起到積極的作用，由于其存在較大的粘性阻力，有利于增強(qiáng)流速的穩(wěn)定性和均勻性，改善催化劑區(qū)域的流域流場(chǎng)速度分布。

第三，同時(shí)流速分布受眾多因素的影響，包括入口分布，流域形狀，以及多孔介質(zhì)布置等諸多因素，故為了改善流場(chǎng)流速分布，可通過這些方面進(jìn)一步改善流場(chǎng)分布。

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