组合导向浮阀塔板多相流的数值模拟.pdf

第31卷第2期
化学反应工程与工艺
Vol 31. No 2
2015年4月
Chemical Reaction Engineering and Technolo
Apr.2015
文章编号:1001-7631(2015)02-0106-09
组合导向浮阓塔板多相流的数值模拟
张朦,张海涛,张杰旭,张成芳
华东理エ大学石油加工研究所,上海200237
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(CFD)方
法对700mm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( Eulerian),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塔板液戾高度
中图分类号:TQ021.1;TQ018
文献标识码
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F1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?。王忠诚等門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(CFD)方法逐淅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: Yoshidal?和 Zhang等?分别对筛板建立了二维拟单相流模型, Yoshida a忽略气相的影响,
在层流状态下模拟液相流场,而 Zhang等考虑了垂直的气相阻力作用。 Krishnas等通过建立欧拉双流
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 Bennett?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。Gesi等?用 Bennett等?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。工i等以模拟计算了I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。崔觉剑和Wang等叫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。 Zaria等]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。 Jiang等?借鉴前人的研究方
法,将CFD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:2014-11-18:修订日期:2015-01-26
作者简介:张朦(1989-),女,硕士研究生;张海涛(1970-),男,副教授,通讯联系人。Emai: zht@ecust.edu,cn
第31卷第2期
张膿等.组合爭向浮阀塔板多相流的数值模拟
在公开的文献中对基础板型的CFD模拟硏究较多,而对组合导向浮阀塔板多相流的仿寘模拟还鲜
有报道。对组合导向浮幗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
FLUENT6.3.26对700mm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-水为媒介。
1气液两相流场的CRD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
o C pa+ v(apic)=0
(2
动量守恒方程(N-S)
@ pio)+ (a0 ( )-(CA(i(i)-p-molcp 3
?(aAa)+V(a(a)=V(a4ma(Wa+(Wa)y)
Vo -M
G L+&Lpr
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κ8湍流模型来封闭欧拉模型。
1.12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M6L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。 Sokolichini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,所以升力ー般也忽略不计,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:
M
5
其中,CD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 Krishna等8提出的气泡群曳力模型
p -Pagd
(6)
其中,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)