填料毛細管精餾過程中氣液兩相流動特性及其影響因素的數(shù)值分析

張 英，胡 丞，李 飛，曹 軍

（1. 中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 106045；2. 華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

共沸物的傳統(tǒng)分離方法有共沸精餾、萃取精餾和加鹽精餾等，但都需要對添加劑進行分離回收，能耗也大［1-4］。近年來，膜分離［5］方法發(fā)展迅速，但存在成本高、蒸氣通量小、導熱效果差、分離壽命短等弊端。毛細管精餾是一種新型的精餾技術(shù)，它耦合了表面吸附、毛細管作用和精餾機理，通過毛細結(jié)構(gòu)使共沸組分的活度系數(shù)和飽和蒸氣壓等產(chǎn)生差異性的改變，進而實現(xiàn)對共沸溶液的分離。張在春［6］研究發(fā)現(xiàn)具有毛細管結(jié)構(gòu)的活性氧化鋁填料可顯著改變乙醇-水溶液的汽液平衡，改變組分間的相對揮發(fā)度，達到對乙醇分離提純的目的。精餾塔內(nèi)氣液兩相流的流場分布對毛細管精餾的實驗結(jié)果有重要的影響。目前，關(guān)于毛細管精餾方面的流體力學計算報道較少。梁曉光等［7-8］采用計算流體力學模擬研究了在毛細管中氣液兩相流分布的情況，并探究壁面作用、氣液速率和流體物性對毛細管通道內(nèi)氣液兩相流動的影響。崔奇志［9］模擬研究了毛細管道內(nèi)氣液兩相的流動特性，探究氣液兩相流在二維和三維物理模型下的流動特性，并發(fā)現(xiàn)毛細管道結(jié)構(gòu)和管道截面等對氣液兩相流動特性的影響。

本工作通過構(gòu)建數(shù)值模型，對填料毛細管精餾塔內(nèi)氣液兩相的流場和速度場分布進行了計算分析，研究了在不同的填料孔隙率（ε）、氣相和液相進口速率等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作工藝條件下，填料毛細管精餾塔內(nèi)氣液兩相分布和速度場分布特性。

1 基本原理、模型的構(gòu)建與求解

1.1 毛細管精餾的基本原理

毛細管精餾技術(shù)［10-12］主要是通過毛細管填料的精餾作用、吸附作用和毛細作用共同耦合作用下進行共沸物分離。對于精餾作用，上升蒸氣與回流液體在毛細管填料表面與精餾塔內(nèi)充分接觸，進而進行傳質(zhì)、傳熱過程。對于吸附作用，毛細管填料表面及內(nèi)部對不同組分的吸附情況不同，有利于共沸溶液組分間的分離。對于毛細作用，一方面毛細管外液體冷凝釋放潛熱，另一方面毛細管使溶液組分飽和蒸氣壓降低，從而使毛細管中的組分發(fā)生多次的部分汽化和部分冷凝。由于不同組分飽和蒸氣壓在毛細管中的變化程度不同，導致汽化和冷凝程度也不同，從而使溶液氣液相平衡發(fā)生改變，并使溶液的相對揮發(fā)度增大，最終分離共沸溶液。

1.2 模型的構(gòu)建

1.2.1 兩相流模型

填料毛細管精餾模型中的氣液兩相流通過VOF模型來計算。VOF模型通過追蹤氣液兩相在網(wǎng)格單元中體積分數(shù)的不同來判斷相界面的位置。在計算單元中，用F表示氣相體積分數(shù)，因此可分為以下三種情況：F=0代表單元里不存在氣相，都是液相；F=1代表單元里都是氣相；0＜F＜1代表單元里包含了氣液相的相界面。

1.2.2 多孔介質(zhì)模型

以多孔介質(zhì)模型描述毛細管結(jié)構(gòu)填料，在多孔介質(zhì)模擬計算域中，對流體的流動阻力通過在動量方程中增加源項來模擬計算。該源項由兩部分組成，分別為Darcy黏性阻力項和慣性損失項。當多孔介質(zhì)流域中的流體流動為層流時，此時流體的壓降與流速成正比關(guān)系。當流體的流動速度較高時，可忽略滲透項，保留慣性損失項。

1.2.3 幾何模型構(gòu)建

為分析填料毛細管精餾裝置中的氣液兩相流分布狀態(tài)及其影響因素，采用二維模型對填料毛細管精餾塔內(nèi)的流場問題進行模擬分析［13］。塔內(nèi)部具有毛細管結(jié)構(gòu)的氧化鋁填料，在模擬中采用多孔介質(zhì)模型。模擬對象為圓柱形毛細管填料精餾塔。塔徑為0.05 m，高度為1 m。精餾塔里面裝填具有毛細管結(jié)構(gòu)的球狀氧化鋁填料（ε=0.5）。

1.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

計算區(qū)域采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，分別對4種網(wǎng)格數(shù)進行模擬。通過對比發(fā)現(xiàn)，劃分的網(wǎng)格大小在1 mm以下、網(wǎng)格數(shù)在50000以上時，氣液兩相交界面處過渡自然，且分布良好，沒有明顯的差異，因此本工作確定網(wǎng)格尺寸大小為1 mm。

1.4 邊界條件

氣相入口邊界條件：氣相入口流速（UG），氣相含率為1；氣相出口邊界條件：假定流動為完全發(fā)展，設(shè)置出口表壓為0；液相入口邊界條件：液相入口流速（UL），液相含率為1；液相出口邊界條件：假定流動為完全發(fā)展，設(shè)置出口表壓為0；壁面邊界條件：絕熱，無滑移邊界。

1.5 數(shù)值求解方法

計算求解器選用 Fluent 軟件，離散時，時間項采用隱格式，壓力-速度耦合方程采用PISO方案來求解，對流項采用一階迎風格式，壓力項采用PRESTO！模式，時間步長為0.01 s。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 不同UG對氣液兩相體積分布及速度場分布的影響

圖1為填料毛細管塔內(nèi)不同UG下氣液兩相分布及速度場分布情況，其中藍色區(qū)域為液相，紅色區(qū)域為氣相。由圖1a可知，隨著UG增加到0.6 m/s時，液相分布分散、細化均勻，有利于相間傳質(zhì)與傳熱。當UG達到1.0 m/s時，液體流動阻力變大，導致壁流現(xiàn)象嚴重。由圖1b可知，在不同UG下，豎直方向上速度分布較均勻，說明塔內(nèi)運行平穩(wěn)。各操作工況橫界面上速度均有差異，分析原因可能是多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性差異引起的。

圖1 不同UG下氣液兩相分布（a）及速度場分布（b）Fig.1 The gas-liquid two-phase distribution(a) and velocity field distribution(b) under different UG.

2.2 不同UL對氣液兩相體積分布及速度場分布的影響

圖2為填料毛細管塔內(nèi)不同UL下氣液兩相分布及速度場分布情況，其中藍色區(qū)域為液相，紅色區(qū)域為氣相。由圖2a可知，當UL增加至0.4 m/s時，液相分布較好、細化且均勻，有利于相間傳質(zhì)；當UL＞0.5 m/s時，液相壁流現(xiàn)象逐漸增加，原因分析可能是由于填料毛細管孔徑太小，阻力較大，隨著液體增多，導致壁流現(xiàn)象。由圖2b可知，隨著UL的增加，氣液兩相的速度場分布逐漸均勻，分析原因可能是液體在多孔介質(zhì)中的流動阻力較大，隨著液體的增加，流動更加趨于穩(wěn)定流動。

2.3 不同ε對氣液兩相體積分布及速度場分布的影響

圖3為填料毛細管塔內(nèi)不同ε下氣液兩相分布及速度場分布情況，其中藍色區(qū)域為液相，紅色區(qū)域為氣相。

圖2 不同UL下氣液兩相分布（a）及速度場分布（b）Fig.2 The gas-liquid two-phase distribution(a) and velocity field distribution(b) under different UL.Conditions：UG=0.6 m/s，ε=0.5.

圖3 不同ε下氣液兩相分布（a）及速度場分布（b）Fig.3 The gas-liquid two-phase distribution(a) and at velocity field distribution(b) under different ε.Conditions：UG=0.6 m/s，UL=0.5 m/s.

由圖3a可知，隨著ε的增加，液體流動阻力減小，因此壁流現(xiàn)象逐漸減弱；當ε=0.5時，氣液分布較均勻，結(jié)果較好。由圖3b可知，隨著ε的增加，氣液兩相的速度分布差異變大，這可能是因為ε的增加，降低了流動阻力，使流動不穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）氣、液相進口速率和填料ε對氣液兩相的分布均有較大影響。探究UG的影響時，UL=0.5 m/s，UG在0.2～1.0 m/s之間取0.6 m/s時結(jié)果較好；探究UL的影響時，UG=0.6 m/s，UL在0.3～0.7 m/s之間取0.4 m/s時結(jié)果較好；探究ε的影響時，UL=0.5 m/s，UG=0.6 m/s，ε在0.3～0.8之間取0.5時結(jié)果較好。

2）通過對氣液兩相分布狀態(tài)的分析，明確了符合最優(yōu)氣液兩相相際傳質(zhì)特性的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，對后續(xù)填料毛細管精餾的實驗具有良好的指導作用。