基于多孔介質(zhì)模型的填料塔數(shù)值模擬研究

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 靳亞斌 周三平 張高超

填料塔是重要的氣液傳質(zhì)設(shè)備。我國(guó)最早進(jìn)行填料塔數(shù)值模擬研究的是余國(guó)琮學(xué)科組，他們以Navier-Stokes 方程（N-S方程）和連續(xù)性方程為研究基礎(chǔ)。國(guó)外Krishna 科學(xué)組對(duì)填料塔返相研究較多，但對(duì)于用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬填料塔壓降、流場(chǎng)的研究則較少。因此，在填料塔數(shù)值模擬研究中引入多孔介質(zhì)，利用FLUNT 中的多孔介質(zhì)模型來(lái)代替散堆填料部分，對(duì)填料塔內(nèi)部單位壓降、流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定壓降作為對(duì)比研究，可以為工程設(shè)計(jì)提供重要的參考資料。

一、填料塔模型建立

填料塔內(nèi)部填料部分是一個(gè)典型的放大化的多孔介質(zhì)模型。目前，多孔介質(zhì)的研究通常采用管道模型、網(wǎng)絡(luò)模型和平均體積模型等模型。本文，筆者為了研究填料塔單位填料壓降以及驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，在填料區(qū)域采用了多孔介質(zhì)模型、多相流模型選用Euler 模型，并對(duì)模型作如下假設(shè)：液相在散堆填料塔內(nèi)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、軸對(duì)稱；流體為不可壓縮；氣體為活塞運(yùn)動(dòng)。填料塔數(shù)值模擬物理模型如圖1所示，塔高3 m，塔徑0.6 m，填料段2 m。該模型中，用多孔介質(zhì)區(qū)域代替散堆鮑爾環(huán)填料段。多孔介質(zhì)的孔隙率是指孔道占總體積的百分比，這一點(diǎn)與散堆鮑爾環(huán)填孔隙率較為類似。因此模擬時(shí)多孔介質(zhì)模型孔隙率取0.9，模型尺寸與圖1一致。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖1 填料塔數(shù)值模擬物理模型

圖2 試驗(yàn)裝置

二、實(shí)驗(yàn)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓冷模條件下操作，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用空氣-水系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置采用西安石油大學(xué)化工流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的冷模實(shí)驗(yàn)填料塔，實(shí)驗(yàn)裝置由吸收和解吸兩部分組成，其核心部件吸收塔3 與解吸塔7 均為圓形有機(jī)玻璃塔，可以很方便地觀察塔內(nèi)氣液流動(dòng)和接觸狀況；吸收塔3 塔徑200 mm，高1 000 mm，解吸塔7 塔徑600 mm，填料段總高度為2 000 mm。解吸塔7 即為試驗(yàn)填料塔，填料方式為散堆鮑爾環(huán)填料，壓力直接由進(jìn)出口填料段壓力傳感器得出。實(shí)驗(yàn)測(cè)定氣體單相壓降和噴淋密度為20 m3/（m2·h），單相實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)見表1，氣液兩相實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)見表2。

表1 單相實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)

表2 氣液兩相實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)

三、數(shù)值模擬分析

用Fluent6.2.16 軟件進(jìn)行氣液兩相模擬，具體步驟如下。

1.建立尺寸如圖1所示的計(jì)算模型，主流體為水，液相入口為塔的上端面，氣相入口為下斷面。

2.選用Tet/Hybrid 對(duì)模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧?/p>

3.氣液相入口選定速度進(jìn)口邊界條件，出口選擇壓力出口邊界條件，填料段設(shè)定多孔介質(zhì)模型。

4.根據(jù)填料塔內(nèi)流體的表觀流速，選定雙方程模型，塔壁為滑脫邊界。

多孔介質(zhì)區(qū)域設(shè)定孔隙率為0.9，采用速度進(jìn)口邊界條件，壓力出口條件，選用Euler 模型模擬。由表1、表2數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)壓力和模擬壓力誤差為4%～10%，產(chǎn)生這些誤差的原因是由于多孔介質(zhì)模型和散堆鮑爾環(huán)填料之間流道有所不同。多孔介質(zhì)模型滲透率具有各向同性，但其模型各個(gè)骨架道并未完全平均化。因此模擬數(shù)值均偏大，但與實(shí)驗(yàn)壓降趨勢(shì)較為吻合。

四、結(jié)論

選用多孔介質(zhì)模型和Euler 模型建立散堆填料塔的三維數(shù)值模擬物理模型，模擬得出壓降與實(shí)驗(yàn)得出的壓降誤差最大為10%，表明選用多孔介質(zhì)模型代替散堆填料具有一定的合理性與可行性。由于多孔介質(zhì)模型內(nèi)部通道有未完全平均化，存在通道阻塞，因此得到的模擬壓降與實(shí)驗(yàn)壓降之間存在一定的誤差并且偏大，但其數(shù)據(jù)趨勢(shì)具有合理性。