组合导向浮阀塔板多相流的数值模拟.pdf

第 3 1 卷第 2期 2 0 1 5年 4月 化 学反应工程 与工艺 C h e mi c a l Re a c t i o n En g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y Vol 31 ， NO 2 Ap r ．2 01 5 文章编号1 0 0 1 -- 7 6 3 1 2 0 1 5 0 2 _ - _ 0 1 0 6 _ - 0 9 组合导向浮阀塔板多相流的数值模拟 张 朦，张海涛，张杰旭，张成芳 华东理工大学石油加工研究所，上海 2 0 0 2 3 7 摘要为了深入 了解组合导 向浮 阀塔板的流体力学性能，在阀片全开状态下，利用计算流体力学 C F D方 法对 7 0 0 iT l r n中试规模 的组合导向浮阀塔塔板上的气液两相 三维流场进行模拟研 究， 采用 欧拉． 欧拉非稳态模 型 E u l e r i a n ，考虑气液两相间的动量传递现 象，将清液层高度作为衡量非稳态流场收敛 的判别标准。通过 关联实验数据，得出适合组合 导向浮 阀塔板 的清液层高度关系式 ，并与模拟结果进行对比。模拟 结果表 明， 组合导向浮阀塔板的液面梯度和 弓形 区域 回流面积小 ，具有 良好 的流体力学性能。 关键词计算流体力学组合导向浮阀塔板清液层高度 中图分类号T Q 0 2 1 ． 1 ；T Q 0 1 8 文献标识码A 随着工业生产中对板效率要求的不断提高，在化工、石油化工和炼油等工业中广泛应用的F l 型浮 阀塔板呈现出各种弊端 ，使浮阀塔板的操作性能受到 了限制。为了适应工业化的要求，路秀林等【 】 发 明的导向浮阀塔板具有优 良的流体力学性能，如液面梯度小、板上液层分布薄而均匀和压降低等 ，因 此得到 了广泛应用[ 2 】 。王忠诚等【 3 】 通过对导向浮阀塔板的改进，提出了导 向作用更强的导向梯形浮阀 塔板。张杰旭等 综合考虑了导向浮阀和导向梯形浮阀的优缺点，开发了组合导向浮 阀塔板，通过两 种浮阀的合理配 比使操作性能更佳。 由于传统塔板结构设计 中主要依据的实验方法和经验关联式逐渐呈现出各种弊端， 新兴的计算流 体力学 C F D方法逐渐成为塔板设计开发中的重要工具 。国内外学者采用仿真模拟的方法对此做了 大量的研究Y o s h i d a [ 5 ] 和Z h a n g 等【 6 ] 分别对筛板建立 了二维拟单相流模型，Y o s h i d a 忽略气相 的影响， 在层流状态下模拟液相流场，而Z h a n g 等考虑 了垂直的气相阻力作用。Kr i s h n a 等【 1 ，8 】 通过建立欧拉双流 体三维模型模拟筛板上的流体力学行为，相间动量交换相采用B e n n e t t 【 9 ] 提出的液相体积分率关系式， 先后对矩形和圆形筛板进行了模拟计算。G e s i t 等【 l o ] 用B e nne tt 等【 9 ， 1 l J 曳力系数在工业规模筛板塔 的流体 力学性能方面做 了大量研究。L i 等【 l 2 ] 模拟计算 了F 1 型浮阀塔板的三维流动状态 ，但其采用矩形塔板 ， 不能反映工业中常用的圆形塔器 弓形区域的流动。崔觉剑【 I ] J Wa n g 等 】 分别模拟计算了气相通过折 边固定阀塔板和锯齿形导 向浮 阀塔板的单 向流流场 ，并与实验结果进行 了对 比，结果表 明模拟结果与 实验结果相吻合。Z a r e i 等 5 J 将MVG塔板与筛板的流体力学性能进行了比较 ，通过对两种塔板清液层 高度、泡沫区高度和压降的比较说明MVG 塔板流体力学性能的优越性。J i a n g 等【 】 借鉴前人的研究方 法，将C F D 方法运用在对新型固阀塔板流场 的研究中，并建立 了适合三角固阀的气相分率式。 收稿 日期2 0 1 4 ． 1 1 - 1 8 ；修订 日期2 0 1 5 ． 0 1 ． 2 6 。 作者简介张 朦 1 9 8 9 一 ，女，硕士研究生；张海涛 1 9 7 0 一 ，男，副教授 ，通讯联系人。E ma i l z h t e c u s t ． e d u ． c n 。 第 3 l 卷第 2期 张 朦等．组合 导向浮 阀塔板 多相流 的数值模拟 1 0 7 在 公 开 的文献 中对 基础 板 型 的C F D模 拟研 究较 多 ，而对 组合 导 向浮 阀塔 板 多相流 的仿 真模 拟还 鲜 有报道 。 对组合导向浮阀塔板流体力学性能的模拟结果有助于深入了解不同工况下塔 内气液两相的流 动和接触状态 ，这 为工业生产 中优 化操作 条件和 改进塔器 内部 构件提供借鉴 。因此 ，本工作利用 F L UE NT 6 ． 3 ． 2 6 对7 0 0 mm中试规模 的组合导向浮阀塔板上气液两相复杂的三维流场进行数值模拟，模 型中的气液两相采用空气一 水为媒介。 1气液两相流场的 C F D模拟 通过建立欧拉． 欧拉两相流三维模型对塔板上的流体力学性能进行研究，在欧拉多相流模型中， 各相被看作是互相贯穿的连续介质 。 1 ． 1塔板上气液两相流动的数学模型 1 ． 1 ． 1控制方程 两相连续性方程 质量守恒方程 一F V 死 。 1 0 t 2 V a L P L ff L 0 2 动量守恒方程 N S -5 ； a o ,o o u o V ％ P o l o V 。 ／J e行 G V 死 V - ％V p 一 。 ％ 季 3 a L P L L V P L ／ L V a L P e 。 V 巩 V 玩 一 a L V P L 一 。 季 4 气液相体积分率之和为1 ，为了使方程组封 闭，假设气液两相处在 同一压力场下。湍流模型采用 混合相 s 湍流模型来封 闭欧拉模型。 1 ． 1 ． 2塔板上气液两相动量传递过程分析 动量守恒方程是整个控制方程组 的核心，既包括相 内动量传递又包括相 间的动量传递，式 3 和 4 中的动量交换源项 L 代表两相间的动量传递 。气液两相之间的相互作用力主要包括曳力、 虚拟质量力和升力等。S o k o l i c h i n 等[ “ 曾证明虚拟质量力对结果影响不大，在分析中一般忽略不计 ； 由于对分散气相确定升力系数 比较困难 ，所 以升力一般也忽略不计 ，而曳力是阻止气泡无限加速的主 要作用力，伴随气泡的存在而存在 ，对塔板上气泡运动的影响也是最重要 。为 了简化模型，动量交换 源项一般只考虑曳力的作用，其表达式如下 L 3 C D I 一 巩f 一 巩 5 其 中，C b 是相间动量交换系数或曳力系数。 由于气相是以气泡群的形式穿过液层的，所以采用K r i s h n a 等 提出的气泡群曳力模型 c o 砜 ㈤ 其 中， l i 。 是气泡群相对于液相 的滑移速率 ， 一般 由表观气速和气相平均分率进行估算 ， 如式 7 1 0 8 化学反应工程与工艺 2 0 1 5 年 4 月 ‰ 7 将式 6 和 7 代入式 5 得到 L a a V e r a g e “ 2 g 一 I 一 巩l 一 巩 8 如果初始化时板上液相体积分率为零， 板上只有气相存在， 此时就不存在不同相之间的动量交换， 而 式 8 在 此 情 况 下 并 不 符 合 实 际 情 况 ， 所 以 在 式 8 的 基 础 上 加 一 项 因 子 ／ 1 一 哗 将 其 修 正为式 9 。此因子的分子是局部液相分率，分母是平均液相分率，对此项在计算域内进行积分约等 于1 ，也就是说此因子 的加入对结果影响不大。Kr i s h n a [ 也 曾表示在较宽的操作范围内，这种修正方 法可以确保C F D模拟所得平均气相分率与实验数据保持吻合，说明这种修正是符合实际情况的。由于 现阶段很难准确地预测每个气泡的大小，通过对 比式 5 与 8 可 以发现，在选用式 8 计算气 液两相之间的相互作用时，不用考虑每个气泡的大小对曳力的影响，从而可提高计算的准确性。 M 。 了 蔫 g 。 一 口G口 I 。 一 l 一 9 气相穿过不 同鼓泡元件 的流体力学行为是不同的，平均气相分率也会不同。 对于组合导向浮 阀塔 板参照前人 ， 的做法，建立新的清液层关系式 。清液层高度主要受表观气速、板上持液量和堰高的 影响，其一般形式如下 。 告 ㈣ C和 a G V e r a g 。 Be n n e t t t 提 出的关联式进行计算 C e x p [ - a 3 h w 】 1 1 一 a v e r a g e ％ 1 2 通过对组合导向浮阀塔板的实验数据[ 进行 回归分析得到参数a 1 ～订 5 的最佳值 a l 为0 ． 5 4 ，a 2 为 3 ． 0 8 7 8 ，a 3 ；1 3 0 ． 1 ，a 4 J 7 ． 6 5 ，a 5 为0 ． 6 ，从而得到组合导向浮阀塔板气相平均分率 叩 的表达式为 1 -e x p 5 1 ． 2几何模型及网格划分 1 ． 2 ． 1几何模型及边界条4 - 1 3 图1 是两种浮阀的结构及其参数 ，浮阀开度为8 rai n ，导向孔的高度为4 1 砌 。图2 为计算流动区域 的几何模型及边界条件，塔板的浮阀排布方式采用工业中最常见的形式，在液相进 口和 弓形区域安排 梯形浮阀。在建模时对浮 阀的阀盖和阀脚 以及塔板的厚度做了简化处理，由于计算区域的几何形状具 有对称性， 所以只计算半个塔盘。 几何模型的结构参数 直径为7 0 0 ra i n ， 高度为3 0 0 r l l l i 1 ， 堰高为4 0 ra i n ， 降液管底隙高度为3 5Ⅱ Ⅱ n ，塔板上浮阀的排布采用1 9 6 mmX 1 1 0 I i l l i 1 的叉排方式。 跞 第 3 1 卷第 2期 张 朦等 ． 组合 导向浮 阀塔板 多相 流的数值模拟 1 0 9 当 3 2 ， 当3 2 图 1组合 导 向浮 阀 Fi g． 1 Co mb i ne d g ui d e d flo a t i ng v a l ve 1 - -t r a y； 2 - c o v e r ； 3 - g u i d e d h o l e L 8 0 mm ， B3 5 mi l l ， B1 2 5 mm， BE 4 5 mm 图 2几何模型及边界条件 Fi g ． 2 Ge o me t r i c mod e l a n d b o u nd a r y 进 口边界条件 气液两相都采用 “ 速度入 口”边界条件，且在进 口处速度分布均匀 ；气相进 口只允许气相进入 ， 液相进 口只允许液相进入 液相 L L s ／ h 0 ； 甜 L vU L 0； L 1 ； G 0 1 4 气相 G Q ／ N A h 。 l 。 ； G v “ G 0； a L 0； G 1 1 5 进 口 ，g 边界条件采用文献[ 1 2 , 1 q 的经验关联式 液相 _0 0 0 3 2 气相 0 0 03 1 7 v ． v J G 。 。 ‘ z 出口边界条件气液相出 口取压力 出 口边界条件 ，液相 出口只有液相流 出，气相 出口只有气相 流 出 。 1 ． 2 ． 2 网格独立性验证 网格划分的合理与否对计算结果的正确性和计算成本 的大小有重要影响，由于靠近塔板区的速度 梯度较大，所以将计算域分成上下两个区进行网格划分，对靠近塔板区域进行加密处理 。为了验证网 格的独立性 ，采用 5种网格划分方法，以清液层高度作为判别标准。图 3是不同网格数 目下清液层高 度的变化趋势，可看 出，随着网格数 目的增多，模拟值与实验值越接近 ，当网格数 目超过 1 7 4 5 6 5时 变化趋于平缓。考虑到网格数越多，计算成本越高，所以采用网格数为 1 7 4 5 6 5的划分方式，靠近塔 板区 0 3 0 mm的网格尺寸采用 5 n l n l ，远离塔板的区域 3 0 3 0 0 mm网格尺寸采用 8 r n I n ，图 4 是塔板网格划分示意图。 使用 F L UE NT 6 ． 3 ． 2 6在处理器为 I n t e l R C o r e T M i 7 4 9 3 0 K C P U 3 ． 4 0 G Hz 3 ． 7 0 G Hz 的 P C机上 对模型进行计算 。F L UE NT是基于有限体积法对计算域进行离散化 的，为保证计算的稳定性，采用一 阶迎风格式对控制方程进 行离散 。选用非定常的压力基一 隐式求解器 ，时间步长设为 0 ． 0 0 2 S ，在默认 的松弛因子下，选择 S I MP L E算法对压力速度耦合方程求解，各控制方程中参数的收敛标准设为 1 0 ～ 。 1 1 0 化学反应工程与工艺 2 0 1 5 年 4 月 Ce l l n u mb e r 1 0 图 3不同网格数 目下的清液层高度模拟结果 F i g ． 3 Cl e a r l i q u i d h e i g h t u n de r di f f e r e n t g r i d c o u nt s 2模拟结果与讨论 2 ． 1模型验证 塔板上气液两相的流动是一个动态平衡过程，在 模拟过程中实时监控塔板上的持液量，如果清液层高 度在一定值附近小幅度上下波动，则可 以认为计算收 敛 。清液层高度是板上液相平均分率和计算域高度的 乘积，本工作中关于塔板的流体力学参数都是由计算 平衡后一段时间内的平均值所得到。如图 5 在 2 0 S 后 塔板上清液层高度基本不再有大幅度的改变，此时便 可 以认为计算达到了收敛。 图6 为清液层高度 的C F D计算值与实验拟合值的 比较。由图 6可 以得出如下规律 1 在相同的液流 图 4塔 板 的网格 划分 Fi g．4 Th e g r i d ma p o f t r a y d e c k 图 5清液层高度 的瞬态监测 F i g ． 5 Tr a ns i e nt c l e a r l i qu i d h e i g h t mo n i t o r e d a s a f un c t i o n of t i me 强度和气速下，清液层高度随堰高的增大而增大； 2 在相同的气速和堰高下，清液层高度随液流强 度的增大而增大； 3 在相同的液流强度和堰高下，清液层高度随表观气速 的增大而减小 。通过将相 同操作条件 气液流量下 C F D模拟得到的清液层高度与拟合式 1 0 ， 1 1 和 1 2 的计算值进 行对比可以看出，模拟值与拟合式的计算值 比较吻合 ，这说 明通过对实验数据进行回归分析所建立 的 拟合式与 C F D模型相匹配，适合用于 C F D模拟计算，从而证 明了所建 C F D模型的正确性。 5 0 4 0 3 0 E E 2 0 1 0 0 L 1 5 n n 13 H m s i mulat io at i on o fl ． 匿 m／ s 一 _ 一 _ 一 _ 2 5 3 0 3 5 4 0 45 5 0 5 5 h w／ mm 图 6清液层高度的 C F D计算值与实验拟合值的比较 Fi g． 6 Co mpa r i s o n o fh c 1 of CFD s i mul a t i on s wi t h c or r e l a t i o n of t h i s p a p e r l 1 4 化学反应工程与工艺 2 0 1 5年 4月 参考文献 【 2 】 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 【 6 ] 7 ] 8 ] 9 】 1 0 ] l 2 3 4 [ 1 5 ] 【 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 】 路秀林，赵 培．导向浮 阀塔板 [ J ] ．化工装备技 术， 1 9 9 2 ， l 3 1 1 - 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7 2 ． Y o s h i d a H． L i q u i d f l o w o v e r d i s t i l l a t i o n c o l u mn p l a t e s [ J ] ． C h e m E n g C o mm． 1 9 8 7 ． 5 l 2 6 1 ． 2 7 5 ． Z h ang M Q， Y u G C． S i mu l a t i o n o f t wo d i me n s i o n a l l i q u i d p h a s e fl o w o n a d i s t i l l a t i o n tr a y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 4 ， 2 2 6 3 - 7 1 ． K r i s h n a R． C F D s i mu l a t i o n s o f s i e v e tr a y h y d r o d y n a mi c s [ J ] ． Ch e m E n g R e s ， De s i g n ， 1 9 9 9 ， 7 7 7 6 3 9 6 4 6 ． v a nBa t e n J M， Kr i s hnaR． Mo d e l i n g s i e v etr a yh y dra u l i c s u s i n g c o mp u tat i o n a l d yna mi c s [ J ] ． C h e mE n g J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 7 7 3 1 4 3 1 5 1 ． B e n n e R D L ． Ne w p r e s s u r e d r o p c o r r e l a t i o n f o r s i e v e tr a y d i s t i l l a t i o n c o l u mn s [ J ] ． AI C } l E J o u rna l ， 1 9 8 3 ， 2 9 3 4 3 4 4 4 2 ． G e s i t G Na n d a k u ma r K， C h u a n g K C F D mo d e l i n g o f fl o w p a R e ms and h y d r a u l i c s o f c o mme r c i a l s c a l e s i e v e tra y s [ J ] ． A I C h E J o u rna l ， 2 0 0 3 ， 4 9 4 9 1 0 - 9 2 4 ． C o l we l l C J ． C l e a r l i q u i d h e i g h t a n d f r o th d e n s i t y o n s i e v e t r a y s [ J ] ． I n d E n g C h e m P r o D e s De v , 1 9 8 1 ， 2 0 2 2 9 8 3 0 7 ． L i Xin g a n g ， L i u De x i n ， Xu S h i mi n ． CF D s i mu l a t i o n o f h y dro d y n a mi c s o f v a l v e t r a y [ J ] ． C h e m E n g P r o ， 2 0 0 9 ， 4 8 1 1 4 5 1 5 1 ． 崔觉剑．折边固定阀塔板流场 的实验研究和数值模拟[ D】 ．杭州浙江工业大学， 2 0 0 7 ． Wang L i a n g h u a ， C u i J u e j i an， Y a o K e j i a n ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n and a n a l y s i s o f g a s fl o w fi e l d i n s e r r a t e d v a l v e c o l u mn [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 1 6 4 5 4 1 5 4 6 ． Z a r e i L R a h b a r R， Z i v d a r M． C o mp u tat i o n a l fl u i d d y n a mi c s i mu l a t i o n o f MVG t r a y h y dra u l i c s [ J ] ． Ko r e a n J o u rna l o f C h e m E n g ， 2 0 0 9 ， 2 6 5 1 2 1 3 1 2 1 9 ． J i a n g S ， G a o H， S u n J S ， e t a 1 ． Mo d e l i n g fi x e d t r i angul a r v a l v e t r a y h y dra u l i c s u s i n g c o mp u t a t i o n a l fl u i d d yn a mi c s [ J ] ． C h e m E n g P r o g ， 2 0 1 2 ， 2 5 2 7 4 - 8 4 ． S o k o l i c h in A． E i g e n b e r b e r G Ga s l i q u i d f l o w i n b u b b l e c o l u mn s and l o o p r e a c t o r s p a r t I ． d e t a i l e d mo d e l i n g and n u me ri c a l s i mu l a t i o n [ J ] ． C h e m E n g S c i ， 1 9 9 4 ， 4 9 2 4 5 7 3 5 5 7 4 6 ． K r i s hn a R， Ur s e a n u M I ． R i s e v e l o c i t y o f a S Wa lT n o f l arg e g a s b u b b l e s i n l i q u i d s [ J ] ． C h e m E n g S c i ， 1 9 9 9 ， 5 4 2 1 7 1 - 1 8 3 ． Nume r i c a l S i mul a t i o n o f M ul t i p ha s e Fl o w i n Co mbi n e d Gu i d e d Va l v e T r a y o f Di s t i l l a t i o n Co l u m n Zh a n g M e n g ， Z h a n g Ha i t a o ， Zh a n g J i e x u ， Z h a n g Ch e n g f a n g I n s t i t u t e o f Ch e mi c a l En g i n e e r i n g ， E a s t Ch i n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 ， Ch i n a Ab s t r a c t A t h r e e d i me n s i o n a l c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s C F D mo d e l wa s d e v e l o p e d t o p r e d i c t t h e mu l t i p h a s e f l o w p r o fi l e o f t h e c o mb i n e d g u i d e d v a l v e t r a y u n d e r t h e f u l l o p e n c o n d i t i o n ． E u l e r i a n - Eu l e r i a n f r a me wo r k wa s c h o s e n t o s o l v e t h e e q u a t i o n s o f b o t h g a s a n d l i q u i d p h a s e s ． Th e c l e a r l i q u i d h e i g h t wa s mo ni t o r e d a s t he n u me r i c a l c o n ve r g e n c e s t a nd a r d o f u ns t a bl e flo w fie l d ．Th e i n t e r - ph a s e mome nt um e x c h a n g i n g t e r m wa s b a s e d o n a ne w c o r r e l a t i o n f o r t he c l e a r l i q u i d h e i g h t ，wh i c h wa s o b t a i n e d f r o m e x pe r i m e n t a l d a t a ． By c o mpa r e d wi th t h e e xp e rime n t a l c o u nt e r p a r t s ， t he s i mul a t i o n r e s ul t s we r e ve r i fie d a nd mo r e s i mu l a t i o n s we r e c a r r i e d o u t f o r v a ri o u s o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e g r a d i e n t o f l i q u i d l e v e l a n d r e flu x a r e a we r e s ma l l ， an d t h e fl u i d me c h an i c s p e r f o rm a n c e wa s g o o d ． Ke y wo r d s c o mp u t a t i o n a l fl u i d d yn a mi c s ； c o mb i n e d g u i d e d v a l v e t r a y ； c l e a r l i q u i d h e i g h t