氣體導(dǎo)流片對旋轉(zhuǎn)床氣相流場及三甘醇脫水效率的影響

何易鴻，孟 江，梁智宇

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

超重力技術(shù)，作為強(qiáng)化反應(yīng)過程的一種手段，在化工生產(chǎn)、納米材料合成、物料分離、廢水廢氣治理等工業(yè)領(lǐng)域已有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)[1-5]。對于超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，目前主要集中在填料的類型及整體尺寸上，對于其他內(nèi)構(gòu)件的研究則較少。在空氣從旋轉(zhuǎn)床入口到進(jìn)入填料區(qū)與三甘醇反應(yīng)這一過程中，加入合適的導(dǎo)流片后會對氣體的運(yùn)動方向產(chǎn)生一定的導(dǎo)向作用，從而改善氣液兩相的接觸狀態(tài)，提高反應(yīng)程度[6]。本文選擇了90°導(dǎo)流片、45°逆流導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和無導(dǎo)流片四種結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬，研究了不同轉(zhuǎn)速、氣量下氣體導(dǎo)流片對旋轉(zhuǎn)床干床壓降和氣體分布均勻性的影響。同時(shí)，開展實(shí)驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確定了氣體導(dǎo)流片對三甘醇脫水效率的影響程度。

1 計(jì)算模型及方法

1.1 物理模型

本文以實(shí)驗(yàn)所用逆流旋轉(zhuǎn)床的實(shí)際尺寸為參照，采用Solidworks軟件建立了三種旋轉(zhuǎn)床的流體模型，如圖1所示。其中，進(jìn)、出氣管規(guī)格為?14×2 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑40 mm，轉(zhuǎn)子外徑80 mm，轉(zhuǎn)子高度75 mm，殼體規(guī)格(直徑×高度)為?114×104 mm。兩種導(dǎo)流片長10 mm，寬度為2 mm，高度為96 mm，數(shù)量為15個(gè)。

(a)90°導(dǎo)流片 (b)45°導(dǎo)流片(逆流、順流) (c)無導(dǎo)流片

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型分為內(nèi)空腔區(qū)、填料區(qū)、外空腔區(qū)三個(gè)部分，填料結(jié)構(gòu)比較簡單，故采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格部分采用Tetra/Mixed，生成方法選擇Robust(Octree)，三個(gè)部分采用“interface”進(jìn)行連接。同時(shí)，對導(dǎo)流片附近以及局部尺寸較小區(qū)域進(jìn)行加密處理。通過無關(guān)性驗(yàn)證后，確定本文網(wǎng)格劃分完的三種旋轉(zhuǎn)床模型網(wǎng)格參數(shù)見表1。

表1 三種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床網(wǎng)格參數(shù)

1.3 計(jì)算模型及方法

本文對旋轉(zhuǎn)床內(nèi)空氣單相流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，忽略氣體在流動過程中的熱效應(yīng)，不考慮能量方程。其連續(xù)性方程為：

(1)

式中，ρ為氣體密度，ui(i=x，y，z)為氣相在i方向上的速度。

采用MRF模型來表征填料轉(zhuǎn)子與內(nèi)外空腔區(qū)的相對運(yùn)動。將旋轉(zhuǎn)床的主體區(qū)域分為靜止區(qū)與旋轉(zhuǎn)區(qū)來表示，其動量方程分別如下所示：

(2)

(3)

式中，ut為移動區(qū)域的相對速度，P為靜壓力，SF為動量守恒方程源項(xiàng)。

采用RNGk-ε湍流模型模擬旋轉(zhuǎn)床中氣相的強(qiáng)旋流動過程，該模型的湍動能方程與湍流耗散率方程分別如下所示：

(4)

(5)

式中，k為湍動能，ε為湍流耗散率，μ為氣體動力粘度，Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動能，Cμ、αk、αε、C1ε、C2ε、ηo和β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，均采用Fluent的默認(rèn)值：

(6)

實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)填充5mm的球形填料，由于填料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其進(jìn)行幾何建模將極大地增加網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算收斂的難度。因此采用多孔介質(zhì)模型對填料結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，其原理是在動量方程中添加一個(gè)源項(xiàng)，提高區(qū)域內(nèi)的速度損失，從而體現(xiàn)填料對流體的阻礙作用。其表達(dá)式為：

(7)

采用Ergun公式計(jì)算多孔介質(zhì)模型中所需要的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)：

(8)

(9)

式中，Si為(i=x，y，z)方向動量方程的源項(xiàng)，D和C為規(guī)定的矩陣，|u|為氣體速度大小，α為多孔介質(zhì)滲透率，C2為慣性阻力系數(shù)，Dp為顆粒直徑，ε為床層孔隙率。

1.4 邊界條件及求解方法

本文通過Fluent來模擬計(jì)算四種氣體導(dǎo)流片對旋轉(zhuǎn)床干床壓降與氣體分布均勻性的影響。氣體進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，氣體出口設(shè)為壓力出口，出口為大氣壓。使用SIMPLEC算法求解壓力——速度耦合，采用二階迎風(fēng)進(jìn)行離散插值，當(dāng)計(jì)算各參數(shù)的殘差均下降至10-3以下，且監(jiān)測氣體進(jìn)出口流量保持穩(wěn)定不變時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂，滿足要求。

2 實(shí)驗(yàn)部分

利用實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以濕空氣模擬濕天然氣，以現(xiàn)場使用的三甘醇作為實(shí)驗(yàn)用脫水溶劑，實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 超重力脫水模擬實(shí)驗(yàn)流程

空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入加濕裝置使其成為飽和濕空氣，再經(jīng)過濾分離器分離出其中的游離水和雜質(zhì)，分離后的濕空氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床與貧甘醇進(jìn)行反應(yīng)，脫除其中的水分，由旋轉(zhuǎn)床上部出口排出至外界。而貧甘醇經(jīng)分布器噴淋在填料層中，吸收完濕氣中的水分變成富甘醇后從旋轉(zhuǎn)床底部流出，經(jīng)再生系統(tǒng)后由甘醇泵輸送至旋轉(zhuǎn)床重復(fù)利用。使用探針式露點(diǎn)儀測定旋轉(zhuǎn)床脫水前后的空氣水露點(diǎn)，使用差壓計(jì)測定旋轉(zhuǎn)床氣體進(jìn)出口壓差。

3 結(jié)果和討論

3.1 模擬結(jié)果分析

3.1.1 流場分析

圖3和圖4分別是轉(zhuǎn)速為 800 r/min、氣量為 3000 L/h 時(shí)，四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在XY截面上的速度分布云圖和流線圖?？梢钥闯?，由于導(dǎo)流片的阻擋作用，氣體在外空腔區(qū)的速度明顯減小，氣體從入口進(jìn)入后，打到填料上分散成了兩股，一部分隨著旋轉(zhuǎn)方向慢慢進(jìn)入填料區(qū)，一部分則形成了渦流。進(jìn)入填料區(qū)后，氣體獲得了極大的周向速度，速度明顯增大，然后沿徑向由外向內(nèi)逐漸減小，到達(dá)內(nèi)空腔區(qū)后，速度又明顯降低，最后沿軸向從氣體出口流出。

(a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無導(dǎo)流片

(a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流片 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無導(dǎo)流片

圖5是轉(zhuǎn)速為 800 r/min、氣量為 3000 L/h 時(shí)，四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在XY截面上的速度分布矢量圖。可以看出，加入導(dǎo)流片后，氣體在外空腔區(qū)流動空間減小，由于導(dǎo)流片的阻礙作用，氣體在每相鄰兩個(gè)導(dǎo)流片空隙間形成了渦流，外空腔區(qū)流速明顯減小。

(a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流片 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無導(dǎo)流片

圖6是轉(zhuǎn)速為 800 r/min、氣量為 3000 L/h時(shí)，四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在XY截面上的壓力分布云圖?？梢钥闯?，四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的壓力分布比較相似，在入口處均形成了一定程度的壓力集中；在軸向和周向上分布都比較均勻；在徑向上存在明顯的壓力梯度，并由外向內(nèi)逐漸減小。

(a)90°導(dǎo)流片 (b)45°順流導(dǎo)流片 (c)45°逆流導(dǎo)流片 (d)無導(dǎo)流片

3.1.2 模擬干床壓降

圖7是四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在不同轉(zhuǎn)速、氣量下的干床壓降。可以發(fā)現(xiàn)，四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的干床壓降均是隨著轉(zhuǎn)速和氣量的增大而增大，且氣量的增大幅度比轉(zhuǎn)速更大，通過比較，四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的干床壓降相差不大，由大到小依次是90°導(dǎo)流片(368.4 Pa)>45°逆流導(dǎo)流片(360.9 Pa)>45°順流導(dǎo)流片(356.5 Pa)>無導(dǎo)流片(350.5 Pa)。

(a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

3.1.3 氣體均勻性

采用徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差來表示氣體在旋轉(zhuǎn)床中的均勻分布情況[7]。三維徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差的定義式為：

(10)

圖8是四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床在不同轉(zhuǎn)速、氣量下氣體在填料外緣的分布情況。由圖8可知，四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的氣體分布均勻性均是隨轉(zhuǎn)速和氣量的增大而降低，且氣量對均勻性的影響比轉(zhuǎn)速要大得多?？梢钥闯觯瑹o導(dǎo)流片時(shí)的氣體均勻性明顯要低于加入導(dǎo)流片的均勻性。這是因?yàn)榧尤雽?dǎo)流片后，氣體在外空腔區(qū)形成了渦流，降低了氣體流速，氣相停留時(shí)間加長，從而分布更加均勻。四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的氣體分布均勻性由好到差依次是45°逆流導(dǎo)流片>90°導(dǎo)流片>45°順流導(dǎo)流片>無導(dǎo)流片，這表明，當(dāng)氣體在外空腔的運(yùn)動方向和旋轉(zhuǎn)床旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，可以獲得更均勻的氣體分布。

(a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)干床壓降

圖9是不同轉(zhuǎn)速、氣量下四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的實(shí)驗(yàn)干床壓降。從圖9中看出，四種導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床實(shí)驗(yàn)值與模擬值的變化趨勢相似，加裝導(dǎo)流片對旋轉(zhuǎn)床干床壓降的影響較小。通過比較，模擬比實(shí)驗(yàn)值低50～90 Pa，平均相對誤差為16.79%，這可能是在數(shù)值模擬過程中將填料簡化為多孔介質(zhì)，通過Ergun公式計(jì)算出來的壓力損失不太準(zhǔn)確造成的。通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，90°導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和45°逆流導(dǎo)流片的干床壓降分別比無導(dǎo)流片高4.95%、2.06%、2.95%左右。

(a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

3.2.2 脫水平衡度

采用脫水平衡度[8]來衡量旋轉(zhuǎn)床中三甘醇脫水的反應(yīng)程度。固定三甘醇量為 300 L/h，通入三甘醇進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，圖10是不同轉(zhuǎn)速、氣量下四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的脫水平衡度。從圖10中看出，90°導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和45°逆流導(dǎo)流片的脫水平衡度較無導(dǎo)流片分別提高了1.75%、1.37%、2.20%。結(jié)合模擬結(jié)果可知：氣體導(dǎo)流片可以一定程度上提高氣體進(jìn)入填料層時(shí)的均勻性，而氣體在填料層中的均勻分布可以提高反應(yīng)程度，對三甘醇的脫水過程有一定的促進(jìn)作用。

(a)不同轉(zhuǎn)速 (b)不同氣量

4 結(jié)論

1)四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的干床壓降均是隨著轉(zhuǎn)速和氣量的增大而增大。干床壓降由大到小依次是90°導(dǎo)流片>45°逆流導(dǎo)流片>45°順流導(dǎo)流片>無導(dǎo)流片；四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床的均勻性均是隨著轉(zhuǎn)速和氣量的增大而降低。氣體分布均勻性由好到差依次是45°逆流導(dǎo)流片>90°導(dǎo)流片>45°順流導(dǎo)流片>無導(dǎo)流片。

2)四種氣體導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)床中，90°導(dǎo)流片、45°順流導(dǎo)流片和45°逆流導(dǎo)流片的干床壓降分別比無導(dǎo)流片高4.95%、2.06%、2.95%，脫水平衡度分別高1.75%、1.37%、2.20%。