譚麗媛，袁希鋼，KALBASSI Mohammad Ali

（1 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072；2Air Products Public Limited Company，Walton on Thames，UK）

規(guī)整填料（structured packing）是一種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排布、整齊堆砌的填料。在相同的能耗、壓降和容積下，與散裝填料相比，規(guī)整填料可以安排更大比表面積，達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。規(guī)整填料在整個(gè)塔截面上，幾何結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、對(duì)稱，在與散裝填料具有相同比表面積時(shí)，填料的空隙率更大，具有更大的通量，綜合處理能力遠(yuǎn)大于板式塔和散裝填料塔，因此以金屬板波紋為代表的各種通用型規(guī)整填料在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛[1]。

與板式塔相比，填料塔對(duì)液體的不均勻分布非常敏感，且有研究表明[2]，不良的液體分布可能使填料的性能下降50%～70%。而且，當(dāng)填料層高度越高、填料比表面積越大、填料效率越高時(shí)，液體不均勻分布的負(fù)面效應(yīng)尤為明顯。因此，為了更好地預(yù)測(cè)規(guī)整填料塔的傳質(zhì)和傳熱效率，有必要對(duì)規(guī)整填料塔內(nèi)液體分布及其影響因素進(jìn)行深入研究。

早期對(duì)液相在規(guī)整填料內(nèi)的宏觀流動(dòng)分布的研究多集中于建立液相流動(dòng)分布模型，如SRP 模 型[3-6]、Delft 模型[7-8]、擴(kuò)散模型[2,9-10]、單元網(wǎng)格模型[11-13]、結(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型[14-17]等。這些模型多是基于實(shí)驗(yàn)研究提出的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)半理論或理論模型，用于預(yù)測(cè)塔內(nèi)壓降、持液量、有效面積和塔盤上液相分布情況。雖然這些模型是以規(guī)整填料塔作為研究背景，并對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，但其預(yù)測(cè)結(jié)果仍與液相在實(shí)際填料上的流動(dòng)有很大的 差別。

近年來(lái)也有學(xué)者采用高精密光學(xué)儀器對(duì)液相在規(guī)整填料內(nèi)分布及其影響因素進(jìn)行研究分析。如陳江波等[18]利用激光多普勒測(cè)速儀（LDV）對(duì)液相在規(guī)整填料單元內(nèi)液相流動(dòng)分布及其速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試分析。在氣液兩相逆流情況下，Alekseenko 等[19]采用光纖傳感器測(cè)量了液相在Koch 1Y 規(guī)整填料片內(nèi)的分布情況以及液膜厚度的變化情況，并得出操作參數(shù)對(duì)填料內(nèi)液相分布和填料壓降的影響。Raynal 等[20]利用γ 射線斷層掃描技術(shù)，研究了不同操作條件下，液相在Mellapak 250X 規(guī)整填料床層內(nèi)的分布情況，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理，得到了填料層內(nèi)持液量隨塔高的變化情況以及液相黏度對(duì)其的影響。Janzen 等[21]以水、甘油的混合溶液作為工作介質(zhì)，利用X-射線斷層掃描技術(shù)分析了液相黏度對(duì)液相在MellapakPlus 752Y 規(guī)整填料上分布的影響。張會(huì)書等[22]利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（LIF）測(cè)量了有機(jī)玻璃材質(zhì)的兩片板波紋規(guī)整填料內(nèi)液體的流動(dòng)分布情況，實(shí)現(xiàn)了液體在規(guī)整填料內(nèi)流動(dòng)分布的可視化。

雖然利用實(shí)驗(yàn)研究液體在規(guī)整填料內(nèi)分布及其影響因素可以得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但其工作量大、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作費(fèi)用較高，且利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量液體在規(guī)整填料塔內(nèi)的速度、溫度和壓力分布是非常困難。最近幾年，隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，CFD 數(shù)值模擬不僅可避免實(shí)驗(yàn)研究的缺點(diǎn)，而且具有越來(lái)越高的準(zhǔn)確性，已成為研究規(guī)整填料塔這類復(fù)雜模型中液相分布的有效工具[23-25]。Shojaee 等[26]利用計(jì)算流體力學(xué)中VOF 模型研究了液相在Gempak 2A 兩相鄰的規(guī)整填料結(jié)構(gòu)單元上的流動(dòng)分布情況，同時(shí)還考察了規(guī)整填料表面液相分布受氣、液流率的影響。Haroun 等[27]采用相似的模型對(duì)液相在Mellapak 250Y 規(guī)整填料特征單元上的分布情況進(jìn)行了三維數(shù)值仿真模擬，研究了液體在規(guī)整填料表面上的接觸角對(duì)有效傳質(zhì)面積的影響。Gao 等[28]基于規(guī)整填料幾何結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的二維兩相流CFD 模型，研究了規(guī)整填料的微觀結(jié)構(gòu)，特別是板波紋的波紋頂角和微觀波紋表面結(jié)構(gòu)以及液相負(fù)荷對(duì)規(guī)整填料表面液膜分布的連續(xù)性和持液量的影響。Adel 等[29]利用計(jì)算流體力學(xué)中VOF 模型研究了液相在Rombopak 4M 規(guī)整填料結(jié)構(gòu)單元上的分布情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了一個(gè)計(jì)算有效相界面積和潤(rùn)濕面積的新公式。

綜上可知，利用計(jì)算流體力學(xué)研究液相在規(guī)整填料等復(fù)雜模型上的分布及其影響因素已成為近年來(lái)研究液相分布的趨勢(shì)。雖然已有不少文獻(xiàn)對(duì)液相在不同類型規(guī)整填料表面上的分布情況進(jìn)行了研究，但除了考察氣、液相流率對(duì)液相分布影響之外，很少有學(xué)者研究其他因素對(duì)液相分布的影響。故此，本文利用商業(yè)流體力學(xué)軟件（Fluent 14.5），從介尺度的角度出發(fā)，系統(tǒng)地研究了規(guī)整填料結(jié)構(gòu)（宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)）對(duì)液相在規(guī)整填料內(nèi)的流動(dòng)分布以及流體力學(xué)參數(shù)的影響，以期為規(guī)整填料塔內(nèi)填料的選擇、設(shè)計(jì)和制備提供指導(dǎo)，使其具有較高的傳質(zhì)、傳熱效率。

1 數(shù)值模擬

本文采用計(jì)算流體力學(xué)中適用于追蹤氣液相界面的VOF（volume of fluid）多相流模型對(duì)液相在兩相鄰兩規(guī)整填料特征單元上的分布進(jìn)行三維仿真模擬。VOF 模型在每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元內(nèi)追蹤各相的體積時(shí)，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)只求解一組動(dòng)量方程，且作為結(jié)果的速度場(chǎng)是由各相共享的。相應(yīng)的兩相流動(dòng)量方程如式（1）所示。

出現(xiàn)在方程中流體的屬性，是由存在于每一控制體積中的分相共同決定的，見(jiàn)式（2）、式（3）。

式中，α為體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)表示各相。在每一控制體積內(nèi)，各項(xiàng)體積分?jǐn)?shù)總和為1，如式（4）。

當(dāng)網(wǎng)格單元被某一相完全充滿時(shí)，這一相的體積分?jǐn)?shù)在該網(wǎng)格單元的值為1（α=1）；當(dāng)網(wǎng)格單元內(nèi)某一相的體積分?jǐn)?shù)在0 和1 之間（0＜α＜1）時(shí)，該網(wǎng)格單元位于氣液相界面處。在VOF 模型中，氣、液不相溶相界面的追蹤是通過(guò)求解一相或多相的體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程來(lái)完成的，即式（5）。

在本文研究過(guò)程中，忽略氣、液相在相界面處的傳質(zhì)。氣液相界面處的表面張力使用散度定理可以表示為體積力，然后，采用Brackbill 等[30]提出的連續(xù)表面力（CSF）模型，將該體積力以動(dòng)量源項(xiàng)的形式加入到VOF 模型中進(jìn)行計(jì)算。

式中，σ 為表面張力系數(shù)；κ 為自由表面曲率，其定義式如式（7）。

壁面附近表面曲率的調(diào)整是通過(guò)指定流體與壁面之間的接觸角來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不加強(qiáng)壁面本身的邊界條件。這個(gè)接觸角與一個(gè)單元正常計(jì)算的遠(yuǎn)離壁面的表面法向量的聯(lián)合決定了壁面附近表面的局部曲率，這個(gè)曲率常用于調(diào)整表面張力計(jì)算中的體積力項(xiàng)[31]。

數(shù)值模擬過(guò)程中，氣相均設(shè)為空氣，液相分別為乙醇、水以及甘油1。這些流體均假定為等溫不可壓的牛頓型流體，因此在模擬過(guò)程中，流體物性均保持不變。模擬計(jì)算為非穩(wěn)態(tài)，利用二階迎風(fēng)格式求解動(dòng)量方程，壓力項(xiàng)選用PRESTO！算法，壓力-速度耦合方程的求算采用PISO 格式，界面追蹤方式采用Geo-Reconstruct，各控制方程的收斂判據(jù)設(shè)為10-4，時(shí)間步長(zhǎng)取為1×10-5s。當(dāng)液相進(jìn)出口質(zhì)量流率保持平衡時(shí)，則認(rèn)為液相流動(dòng)已達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)，此時(shí)液相出口質(zhì)量流率也保持不變。各流體相的物理性質(zhì)及所研究的不同類型規(guī)整填料幾何特征參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 模擬物系的物性

表2 規(guī)整填料幾何特征參數(shù)

2 物理模型

金屬板波紋規(guī)整填料是由若干波紋平行且垂直排列的金屬波紋片組成，波紋形成的通道與水平方向成45°或60°，相鄰兩波紋片的傾角相反[圖1(a)所示]。有的波紋片上開(kāi)有小孔[圖1(b)]，以利于氣相的通過(guò)，增加氣液相有效接觸面積。根據(jù)規(guī)整填料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了如圖1(c)所示的兩相鄰規(guī)整填料物理模型，為了減少計(jì)算時(shí)間和物理模型的復(fù)雜程度，規(guī)整填料片表面沒(méi)有開(kāi)孔。

圖1 規(guī)整填料幾何模型：

采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)該物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了便于觀察壁面處液體分布情況以及規(guī)整填料表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)液相分布的影響，對(duì)近壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證之后，500X型、500Y 型、750Y 型以及500YS 型規(guī)整填料的網(wǎng)格數(shù)量分別為：670368、638935、625525、614177。

數(shù)值物理模型上方即（1）取為液相速度進(jìn)口邊界條件，ul=0.01m/s，方向垂直于液相進(jìn)口區(qū)域且豎直向下；模型下方即（2）設(shè)為壓力出口邊界條件，出口壓力0Pa；前后兩塊規(guī)整填料片即（3）設(shè)為無(wú)滑移壁面，給定液相與壁面之間的接觸角；為了保障液體流動(dòng)的連續(xù)性，模型左右兩邊即（4）有一定的液相流入，可近似視為周期性邊界條件。

在計(jì)算初始時(shí)，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)充滿了空氣，液相的初始體積分?jǐn)?shù)為0。本文作者重點(diǎn)考察規(guī)整填料的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)液相在規(guī)整填料表面分的影響，為了減少數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間，在模擬過(guò)程中假定氣相在填料內(nèi)沒(méi)有流動(dòng)，即氣相為停滯相，氣相對(duì)液相的流動(dòng)沒(méi)有影響，已有研究表明[26]，載點(diǎn)以下氣相對(duì)液相的流動(dòng)分布影響作用很小， 因此，該模擬假設(shè)具有一定的合理性。

3 數(shù)值模擬結(jié)果的處理

就規(guī)整填料塔而言，有效面積ae一般指單位填料體積內(nèi)液相的相界面積(m2/m3)，是影響傳質(zhì)過(guò)程的重要因素，準(zhǔn)確計(jì)算液相在填料塔內(nèi)的有效面積及其影響因素的研究對(duì)規(guī)整填料的設(shè)計(jì)有很大的幫助。Billet 等[32]通過(guò)歸納整理已有文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包含31 種不同物系，67 種不同類型填料，提出一個(gè)計(jì)算有效面積的理論公式如式（9）。

式中，dh為規(guī)整填料的水力直徑，可定義為4ε/ap；Rel、Frl、Wel分別為液相雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、韋伯?dāng)?shù)，如式（10）～式（12）。

根據(jù)Kenig 等[33]的研究結(jié)果，在本文的數(shù)值模擬中，假定氣液相界面位于液相體積分?jǐn)?shù)為0.2(αl=0.2)處，利用CFD-post 后處理軟件計(jì)算此相界面的面積，該面積即為液相在規(guī)整填料內(nèi)的有效面積。最后將在不同液相流率下，利用Billet 模型[32]計(jì)算出的有效面積與CFD 數(shù)值模擬得到的有效面積進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該數(shù)值模型的可行性和準(zhǔn)確性。

填料層的持液量是填料塔的重要流體力學(xué)性能之一，直接影響到填料塔的傳質(zhì)、傳熱效率和塔的生產(chǎn)能力。自Bravo 等[3]的研究之后，對(duì)于持液量的計(jì)算多采用液相在規(guī)整填料的液膜厚度與有效面積進(jìn)行計(jì)算如式（13）。

式中，δ 為液相在規(guī)整填料內(nèi)的液膜厚度。由于液相在規(guī)整填料內(nèi)的流動(dòng)分布受填料結(jié)構(gòu)的影響，液相厚度在填料表面各處并不一致。在已有的有關(guān)規(guī)整填料數(shù)值模擬的文獻(xiàn)中[26-27,34]，用填料表面液膜厚度的平均值表示該液膜厚度，平均液膜厚度為計(jì)算域內(nèi)液相體積除以液相的潤(rùn)濕面積如式（14）。

在本文中，采用同樣的方法求解液相在規(guī)整填料內(nèi)的平均液膜厚度，最終填料層的持液量可用式（15）進(jìn)行估算。

4 結(jié)果分析與討論

圖2給出了在不同液相流率下CFD數(shù)值模擬得到的規(guī)整填料內(nèi)的有效面積與用Billet 模型[32]得到的規(guī)整填料內(nèi)的有效面積之間的比較。從圖2 中可以看出，CFD 數(shù)值模擬得到的結(jié)果與Billet 模型[32]計(jì)算得到的規(guī)整填料內(nèi)的有效面積隨著液相流率的增加而增加，且二者的吻合性較好，從而驗(yàn)證了本文CFD 數(shù)值模擬模型的可行性和準(zhǔn)確性。在模擬的液相流率范圍內(nèi)，CFD 數(shù)值模擬結(jié)果總是稍低于Billet 模型[32]計(jì)算結(jié)果，這是由于規(guī)整填料表面穿孔不僅有利于液相從一個(gè)流道向另一個(gè)流道流動(dòng)，而且有助于液滴的形成，增加有效面積，而該數(shù)值模擬的物理模型表面并沒(méi)有穿孔。

圖2 CFD 數(shù)值模擬結(jié)果與Billet 模型[32]計(jì)算結(jié)果的比較

4.1 液相在規(guī)整填料表面的分布

CFD 數(shù)值模擬不僅具有較高的準(zhǔn)確性還可使液相在規(guī)整填料內(nèi)的分布可視化，更加形象地說(shuō)明了不同物系在規(guī)整填料內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的變化。圖3 給出了在相同液相體積流率下，乙醇、水和甘油1 這三種不同表面張力和黏度的物系在500.Y 型規(guī)整填料表面上的分布，顏色的深淺表征液相體積分?jǐn)?shù)的大小。從圖3 中可以明顯地觀察到規(guī)整填料表面被液體潤(rùn)濕和未潤(rùn)濕的區(qū)域。乙醇與水的表面張力相差很大，其余物性接近，將二者的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表面張力低的物系在規(guī)整填料表面分布較為均勻，而表面張力較大的物系在規(guī)整填料內(nèi)主要以溝流的形式進(jìn)行流動(dòng)。甘油1 與水的黏度相差很大，其余物性接近，將二者的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，黏度的增加有利于增加液相在填料表面上的潤(rùn)濕面積。另外，從乙醇在填料表面上的分布中可以觀察到，不同流道內(nèi)的液體在規(guī)整填料節(jié)點(diǎn)處混合之后再分配，這使得液體從規(guī)整填料波紋板的一個(gè)流道流入相鄰流道。

規(guī)整填料結(jié)構(gòu)的改變對(duì)液相分布的影響不僅表現(xiàn)為同一液相在規(guī)整填料內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的不同，而且對(duì)液體在規(guī)整填料內(nèi)的有效面積、平均液膜厚度和持液量等流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)也會(huì)有所影響。

4.2 規(guī)整填料比表面積對(duì)液相分布的影響

4.2.1 液相流型的變化

在相同液相體積流率下，乙醇、水和甘油1 在500Y 型和750Y 型規(guī)整填料表面上的分布如圖3 所示。從圖3 中可以看到，無(wú)論液體具有什么樣的物性，其在兩種規(guī)整填料表面上的流動(dòng)形態(tài)幾乎完全一致，即規(guī)整填料的比表面積對(duì)液相流型無(wú)明顯 影響。

4.2.2 流體力學(xué)參數(shù)的變化

圖4 給出了在相同液相流率下，乙醇、水和甘油1 在500Y 和750Y 型規(guī)整填料內(nèi)有效面積與比表面積的比值、平均液膜厚度和持液量的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖4 中可以看出，無(wú)論液體在規(guī)整內(nèi)是以膜狀流，還是溝流的形式進(jìn)行流動(dòng)，規(guī)整填料比表面積的增加對(duì)液相在填料內(nèi)的有效面積比幾乎無(wú)影響，但液體在規(guī)整填料內(nèi)的平均液膜厚度卻大幅度地減小。液體在填料層中的持液量由液體在規(guī)整填料內(nèi)的平均液膜厚度和傳質(zhì)有效面積共同決定。雖然液體在高比表面規(guī)整填料內(nèi)的平均液膜厚度較小，但受填料高比表面的影響，液體在高比表面的規(guī)整填料內(nèi)具有較高的持液量。

圖3 液相在具有不同比表面積規(guī)整填料表面上的分布

圖4 規(guī)整填料比表面積對(duì)液相流體力學(xué)參數(shù)的影響

因此，對(duì)于同類型的規(guī)整填料，隨填料比表面積的增加，雖然ae/ap比值增加較小，但總傳質(zhì)有效面積增加，有利于規(guī)整填料傳質(zhì)性能的提高；液體在填料內(nèi)的平均液膜厚度減小，有利于減小單位填料層高度的壓降，但填料的高比表面積將抵消這一優(yōu)點(diǎn)，最終使得液體在高比表面規(guī)整填料內(nèi)具有較大的持液量，增加了單位填料層高度的壓降，導(dǎo)致規(guī)整填料塔的操作壓降增加，設(shè)備費(fèi)用也相應(yīng)地增加。

4.3 規(guī)整填料波紋傾角對(duì)液相分布的影響

4.3.1 液相流型的變化

圖5 給出了在相同體積流率下，乙醇、水和甘油1 在500Y 型和500X 型規(guī)整填料表面上的分布。從圖5 中可以看到，當(dāng)液體具有較低表面張力時(shí)，液體在Y型規(guī)整填料表面上的分布比在X型規(guī)整填料表面上更均勻，更易于形成膜狀流；隨液體表面張力的增加，液體均主要以溝流的形式在兩種規(guī)整填料內(nèi)的流動(dòng)，規(guī)整填料的波紋傾角對(duì)液體在規(guī)整填料內(nèi)流型的影響開(kāi)始變得不明顯。

圖5 液相在具有不同波紋傾角規(guī)整填料表面上的分布

4.3.2 流體力學(xué)參數(shù)的變化

在相同液相流率下，乙醇、水和甘油1 這3 種不同物系在500Y和500X型規(guī)整填料內(nèi)有效面積與比表面積的比值、平均液膜厚度和持液量的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看到，當(dāng)液體具有較低表面張力時(shí)，液體在Y 型規(guī)整填料內(nèi)的ae/ap比值高于X 型規(guī)整填料，這意味著Y 型規(guī)整填料內(nèi)具有較高的傳質(zhì)有效面積；隨著液體表面張力的增加，液相在兩種規(guī)整填料內(nèi)的ae/ap比值趨于相等，即，這兩種規(guī)整填料具有相當(dāng)?shù)挠行髻|(zhì)面積。這表明隨著液體表面張力的增加，填料波紋傾角對(duì)傳質(zhì)有效面積的影響越來(lái)越小。相比于Y型規(guī)整填料，液體在X型規(guī)整填料內(nèi)具有較低的平均液膜厚度和持液量，這意味著X 型規(guī)整填料的單位填料層高度的壓降將低于Y 型規(guī)整填料。

綜上所述，對(duì)于低表面張力物系，Y 型填料具有較好的傳質(zhì)性能，X 型填料具有較低的壓降；對(duì)于高表面張力物系，X 型填料和Y 型填料的流體力學(xué)性能相差不大。

4.4 規(guī)整填料微觀表面結(jié)構(gòu)對(duì)液相分布的影響

4.4.1 液相流型的變化

圖7 給出了在相同體積流率下，乙醇、水和甘油1 這3 種物系在500Y 型和500YS 型規(guī)整填料表面上的分布。從圖7 中可以明顯看到，即使是低表面張力物系，在表面光滑的規(guī)整填料內(nèi)也主要以溝流的形式進(jìn)行流動(dòng)。相比于光滑表面，液相在表面被處理為小波紋狀的規(guī)整填料表面上更易于形成膜狀流，液相分布更均勻，潤(rùn)濕性更好，氣、液相有效接觸面積也越大。對(duì)比結(jié)果表明，規(guī)整填料微觀表面結(jié)構(gòu)對(duì)液相特別是低表面張力物系在規(guī)整填料內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)有很大的影響。

圖6 規(guī)整填料波紋傾角對(duì)液相流體力學(xué)參數(shù)的影響

圖7 液相在具有不同表面微觀結(jié)構(gòu)規(guī)整填料表面上的分布

圖8 規(guī)整填料微觀表面結(jié)構(gòu)對(duì)液相流體力學(xué)參數(shù)的影響

4.4.2 流體力學(xué)參數(shù)的變化

規(guī)整填料微觀表面結(jié)構(gòu)對(duì)不同物系的流體力學(xué)參數(shù)的影響如圖8 所示。從圖8 中可以看出，低表面張力物系在500Y 型規(guī)整填料上的ae/ap比值遠(yuǎn)高于500YS 型填料，且具有較低的平均液膜厚度和較高的持液量。對(duì)于高表面張力物系，雖然液體在兩種規(guī)整填料內(nèi)的傳質(zhì)有效面積相當(dāng)，但500Y 型規(guī)整填料內(nèi)的平均液膜厚度更小，有利于傳質(zhì)和降低 壓降。

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，將規(guī)整填料表面壓成一定的細(xì)小壓紋，有利于液體特別是低表面張力物系在規(guī)整填料表面上的分布，增加有效傳質(zhì)面積，同時(shí)降低液體在規(guī)整填料內(nèi)的平均液膜厚度，提高填料的傳質(zhì)效率。隨著表面張力增加，規(guī)整填料微觀表面結(jié)構(gòu)對(duì)其流體力學(xué)性能參數(shù)的影響較小。

5 結(jié) 論

采用計(jì)算流體力學(xué)中VOF 多相流模型對(duì)液相在規(guī)整填料表面上的分布進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。提出一種擬循環(huán)邊界條件，不僅使得模擬液體在真實(shí)規(guī)整填料片上的流動(dòng)分布成為可能，還使液相在填料表面的分布可視化。利用已有的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)該數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的結(jié)果。規(guī)整填料結(jié)構(gòu)對(duì)液相分布影響的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明如下。

（1）規(guī)整填料的比表面積對(duì)液相在規(guī)整填料 內(nèi)的流型幾乎無(wú)影響，而波紋傾角和表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)液相特別是低表面張力物系在規(guī)整填料內(nèi)的流型有很大的影響。

（2）同型號(hào)的規(guī)整填料，隨填料比表面積的增加，液體在規(guī)整填料內(nèi)的分散性變好，傳質(zhì)有效面積增大，平均液膜厚度減小，有利于提高傳質(zhì)、傳熱效率；但填料層內(nèi)的持液量增加，塔內(nèi)壓降也隨之而增加，使得填料塔的通量減小。

（3）具有相同比表面積的規(guī)整填料，液體在Y型填料內(nèi)具有較大的傳質(zhì)有效面積，其傳質(zhì)性能較好；而X 型填料則具有較小的持液量，單位填料層高度具有較小的壓降。

（4）相比于光滑表面的規(guī)整填料，填料表面處理成小波紋狀，使液體在填料表面的分散性更好，具有更大的傳質(zhì)有效面積、更小的平均液膜厚度，填料的傳質(zhì)性能得到提高，同時(shí)又對(duì)單位填料層的壓降影響不大。

從數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，液體在規(guī)整填料內(nèi)的分布對(duì)液體的流體力學(xué)參數(shù)有很大的影響，進(jìn)而影響填料塔的效率，有必要進(jìn)一步探究操作條件以及氣液相分布器對(duì)液體在規(guī)整填料內(nèi)分布的影響。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a—— 規(guī)整填料表面微觀結(jié)構(gòu)小波紋的波峰，mm

ae—— 傳質(zhì)有效面積，m2/m3

ap—— 填料比表面積，m2/m3

aw—— 液相在填料表面上的潤(rùn)濕面積，m2/m3

b—— 規(guī)整填料波紋底邊長(zhǎng)，m

dh—— 規(guī)整填料的水力直徑，m

F—— 動(dòng)量源項(xiàng)，N

Frl—— 液相弗勞德數(shù)

Fvol—— 體積力，N

g—— 重力加速度，m/s2

hl—— 填料層內(nèi)的持液量

P—— 壓力，Pa

Rel—— 液相雷諾數(shù)

S—— 規(guī)整填料波紋斜邊長(zhǎng)，m

t—— 時(shí)間，s

^tw—— 壁面處的單位切向量

u—— 速度，m/s

Vt—— 計(jì)算域內(nèi)液相體積，m3

Wel—— 液相韋伯?dāng)?shù)

αi、αj、αl、αg—— 第i、j、氣、液相體積分?jǐn)?shù)

β—— 傾斜波紋與水平方向的夾角

δ—— 液膜厚度，mm

ε—— 規(guī)整填料的空隙率

θw—— 壁面處界面切線與壁面的夾角，（°）

κ—— 自由表面曲率

λ—— 規(guī)整填料表面微觀結(jié)構(gòu)小波紋的波長(zhǎng)， mm

μ—— 黏度，Pa·s

ρi、ρj、ρl—— 第i、j、液相的密度，kg/m3

σij—— 第i、j 相的界面張力，N/m

下角標(biāo)

h—— hydro-

i、j、l、g—— 第i、j、氣、液相

vol—— volume

w—— 壁面，wall

[1] 王樹(shù)楹. 現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，1998：5-6，84-85.

[2] Hoek P J，Wesselingh J A，Zuiderweg F J. Small scale and large scale liquid maldistribution in packed columns[J]. Chemical Engineering Research & Design，1986，64（6）：431-449.

[3] Bravo J L，Rocha J A，F(xiàn)air J R. Mass transfer in gauze packings[J]. Hydrocarbon Processing，1985，64（1）：91-95.

[4] Bravo J L，Rocha J A，F(xiàn)air J R. Pressure drop in structured packings[J]. Hydrocarbon Processing，1986，65（3）：45-49.

[5] Rocha J A，Bravo J L，F(xiàn)air J R. Distillation columns containing structured packings：A comprehensive model for their performance. 2. Mass transfer model[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，1996，35（5）：1660-1667.

[6] Rocha J A，Bravo J L，F(xiàn)air J R. Distillation columns containing Structured packings：A comprehensive model for their performance. 1.Hydraulic models[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，1993，32（4）：641-651.

[7] Oluji? ?. Development of a complete simulation model for predicting the hydraulic and separation performance of distillation columns equipped with structured packings[J]. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly，1997，11（1）：31-46.

[8] Oluji? ?，Kamerbeek A B，de Graauw J. A corrugation geometry based model for efficiency of structured distillation packing[J]. Chemical Engineering Progressing，1999，38（4）：683-695.

[9] 何杰. 金屬板波紋填料中擴(kuò)散模型的應(yīng)用及液體停留時(shí)間分布的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，1991.

[10] 孫敬璽. 金屬板波紋填料塔中氣液流動(dòng)過(guò)程的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，1993.

[11] Nandakumar K，Shu Y，Chuang K T. Predicting geometrical properties of random packed beds from computer simulation[J]. AIChE Journal，1999，45（11）：2286-2297.

[12] Wen X，Shu Y，Nandakumar K，et al. Predicting liquid flow profile in randomly packed beds from computer simulation[J]. AIChE Journal，2001，47（8）：1770-1779.

[13] Sun B，He L，Liu B T，et al. A new multi-scale model based on CFD and macroscopic calculation for corrugated structured packing column[J]. AIChE Journal，2013，59（8）：3119-3130.

[14] 徐崇嗣，樓建中，姜慶泉. 金屬板波紋填料液流分布的研究[J]. 化工學(xué)報(bào)，1986，37（4）：402-412.

[15] 高瑞昶，宋寶東，袁孝競(jìng). 氣液兩相逆流狀態(tài)下金屬板波紋填料塔內(nèi)液體流動(dòng)分布[J]. 化工學(xué)報(bào)，1999，50（1）：94-100.

[16] 裘俊紅，陳國(guó)標(biāo)，計(jì)建炳. 波紋板規(guī)整填料塔液體分布[J]. 化工學(xué)報(bào)，2003，54（5）：646-652.

[17] 谷芳. 規(guī)整填料局部流動(dòng)與傳質(zhì)的計(jì)算流體力學(xué)研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2004.

[18] Chen Jiangbo，Liu Chunjiang，Li Yingke，et al. Experimental investigation of single-phase flow in structured packing by LDV[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，15（6）：821-827.

[19] Alekseenko S V，Markovich D M，Evseev A R，et al. Experimental investigation of liquid distribution over structured packing[J]. AIChE Journal，2008，54（6）：1424-1430.

[20] Fourati M，Roig V，Raynal L. Experimental study of liquid spreading in structured packings[J]. Chemical Engineering Science，2012，80：1-15.

[21] Janzen A，Steube J，Aferka S，et al. Investigation of liquid flow morphology inside a structured packing using X-ray tomography[J]. Chemical Engineering Science，2013，102：451-460.

[22] 張會(huì)書，袁希鋼，Kalbassi Mohammad Ali. 激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量規(guī)整填料內(nèi)的液體分布[J]. 化工學(xué)報(bào)，2014，65（9）：3331-3339

[23] Fernandes J，Lisboa P F，Sim?es P C，et al. Application of CFD in the study of supercritical fluid extraction with structured packing：wet pressure drop calculations[J]. The Journal of Supercritical Fluids，2009，50（1）：61-68.

[24] Hosseini S H，Shojaee S，Ahmadi G，et al. Computational fluid dynamics studies of dry and wet pressure drops in structured packings[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2012，18（4）：1465-1473.

[25] Adachi T. Velocity and temperature profiles extending over the liquid and gas phases of two-phase flow falling down vertical plates[J]. Applied Thermal Engineering，2013，51（1）：827-832.

[26] Shojaee S，Hosseini S H，Rafati A，et al. Prediction of the effective area in structured packings by computational fluid dynamics[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2011，50（18）：10833-10842.

[27] Haroun Y，Raynal L，Alix P. Prediction of effective area and liquid hold-up in structured packings by CFD[J]. Chemical Engineering Research and Design，2014，92（11）：2247-2254.

[28] Gao G，Zhang L，Li X，et al. CFD simulation of film flow and gas/liquid counter-current flow on structured packing[J]. Transactions of Tianjin University，2011，17：194-198.

[29] Ataki A，Bart H J. Experimental and CFD simulation study for thewetting of a structured packing element with liquids[J]. Chemical Engineering & Technology，2006，29（3）：336-347.

[30] Brackbill J U，Kothe D B，Zemach C. A continuum method for modeling surface tension[J]. Journal of Computational Physics，1992，100（2）：335-354.

[31] 江帆，黃鵬. Fluent 高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008：140-146.

[32] Billet R，Schultes M. Predicting mass transfer in packed columns[J]. Chemical Engineering & Technology，1993，6（1）：1-9.

[33] Ganguli A A，Kenig E Y. A CFD-based approach to the interfacial mass transfer atfree gas-liquid interfaces[J]. Chemical Engineering Science，2011，66（14）：3301-3308.

[34] Raynal L，Royon-Lebeaud A. A multi-scale approach for CFD calculations of gas-liquid flow within large size column equipped with structured packing[J]. Chemical Engineering Science，2007，62（24）：7196-7204.