《倾斜塔板漏液的三维数值模拟及实验》-工学论文，化学工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

倾斜塔板漏液的三维数值模拟及实验

范文

张平王学平李雅侠

摘 ? ? ?要：塔体受到横向载荷作用，板式塔的塔板倾斜，塔板上液层出现非等高。在冷模试验塔装置中以空气-水为实验介质，对倾斜塔板的漏液性能进行了实验研究。实验表明，塔板倾斜方向与液相流动方向相同时，倾斜塔板漏液小于水平塔板，倾角越大漏液越少，塔板气相操作下限减小;塔板倾斜方向与液相流动方向相反时，倾斜塔板漏液大于水平塔板，倾角越大漏液越多，塔板气相操作下限增大。利用计算流体力学的双欧拉模型对倾斜塔板的漏液状态进行了三维数值模拟，模拟结果同实验结果吻合较好。模拟结果显示，倾斜塔板在液层非等高剖面上发生不均匀漏液，倾角大的塔板在液层薄的区域发生气相沟流现象。

关 ?键 ?词：计算流体力学;漏液;数值模拟;气含率;倾斜塔板

中图分类号：TQ053.5 ? ? ? ?文獻标识码： A ? ? ? 文章编号： 1671-0460（2019）12-2875-04

Abstract： The tray of the plate tower was inclined and the liquid layer on the tray was non-equal when the tower body was subjected to lateral load. Weeping of inclined trays was studied experimentally using air-water as experimental medium in cold model test tower. The results showed that the weeping of the inclined tray was smaller than that of the horizontal tray， the weeping of tray reduced with the increase of inclination angle and the lower limit of gas phase operation of tray decreased when the inclined direction of the tray was the same as the liquid flow direction. The weeping of the inclined tray was larger than that of the horizontal tray; the larger the inclination angle， the more the weeping， and the lower limit of gas phase operation of tray was increased when the inclination direction of the tray was opposite to the direction of liquid flow. The two-Euler model of computational fluid dynamics （CFD） was used to simulate the weeping of inclined trays. The simulation results were in good agreement with the experimental results. The simulation results indicated that uneven weeping occurred on non-contour profiles in the inclined tray. Gas phase channeling appeared in the region of thin liquid layer with large inclination tray.

Key words： Computational fluid dynamics; Weeping; Numerical simulation; Gas holdup; Inclined tray

板式塔在操作状态时，塔板上存留一定高度的液层，塔体受到横向载荷发生挠曲时，塔板上液层在液体流动方向上出现不等高[1]。塔顶挠曲最大，液层非等高从塔底开始向上逐层加剧。张平[2]研究了这种液层不等高对塔板流场的影响，发现塔板回流区位置发生了改变。均匀气相通过非等高的液层时，液层厚的区域比液层薄的区域更易发生漏液，造成了塔板沿液体流动方向发生不均匀漏液。塔板漏液是一种导致塔板效率降低的纵向返混现象，实验证明，塔板漏液不均匀分布对塔板效率有很大影响[3]赵培等[4]用实验方法研究了十字旋阀塔板的漏液性能，获得了十字旋阀塔板漏液点孔速的关联式。刘静[5]以泡罩立体筛板为研究对象得到漏液点气速与堰高和液体流量的关系。在0.5m×0.5m的矩形筛孔塔板的漏液操作状态的CFD模拟中，孙玉春[6]进行了初步的尝试，模拟结果与L&B方法[7]的计算结果基本吻合。Ali[8，9]利用欧拉-欧拉双流体模型数值模拟了矩形塔板和圆形塔板的干板压降和塔板漏液，模拟结果与实验结果基本一致。

以上研究者对塔板漏液的研究，都认为塔板是水平的。由于塔体受到风载荷等横向载荷作用，倾斜塔板上产生非等高的液层，如图1所示。

本文采用能改变塔板倾斜角度的实验塔装置，利用水-空气为实验操作介质，测定了不同溢流强度、不同塔板倾角下，漏液随空塔气速不同的变化量。利用欧拉-欧拉双流体方法中标准k-ε湍流模型，对倾斜塔板在漏液状态下的状况进行了数值模拟，探索了倾斜塔板沿液相流动方向不均匀漏液的分布情况。

1 ?实验塔装置及测定方法

1.1 ?实验装置

测量倾斜塔板漏液的冷模实验塔装置的结构示意图如图2所示。

实验塔与底座利用螺栓连接，实验塔两侧各有一个调节螺钉，可以改变塔体倾斜角度。试验中，空气首先由气泵输送，由转子流量计测速后由塔底进入塔内，自下而上通过塔中的各层塔板;同时水箱中的水由水泵加压输送，经转子流量计测速后从塔顶注入塔内，气液两相在塔板上接触，空气继续上升从塔顶排空。实验装置中用于测定漏液的倾斜塔板的结构尺寸如表1所示。

1.2 ?实验步骤

实验前，将塔体左右两侧的调节螺钉调到同一高度，然后调高左侧的螺钉，使塔体向右倾斜，使测定塔板的倾斜方向与液相流动方向相反。记录螺钉的调整高度，塔底收集漏液的阀门处于打开状态。试验塔正常操作开始后，保持液相流量和塔板倾角不变，降低气泵流量，使塔板产生漏液，关闭塔底收集漏液的阀门，2 min后打开收集漏液阀门，计量漏液的体积。保持塔板漏液状态及塔板倾角不变的情况下，改变液相流量，测量漏液。在气相和液相流量都不变的情况下，调节螺钉的高度，改变塔板的倾角，测量漏液。

2 ?CFD数值模拟

2.1 ?数学模型

当气相以一定速度通过塔板上一定厚度的液层时，气液两相是互相贯穿的连续介质，故选用欧拉-欧拉方法，采用标准k-ε湍流模型封闭连续方程和动量方程。

2.2 ?网格划分及边界条件

冷模试验塔的塔板直径为380 mm，可以忽略液面落差的影响，故倾斜塔板数值模拟没有设定液体入口和液体出口，模拟时塔板上方“PATCH”一定高度的水相。倾斜塔板的计算模型及边界条件如图3所示，X轴方向代表冷模试验塔液相流动方向。

为了与实验对比，模拟塔板的结构尺寸与表1相同，塔板上高度为150 mm，塔板下高度为50 mm。模型利用FLUENT软件进行数值模拟，采用非结构六面体贴体网格。经过网格无关性检验，最后确定X轴方向、Y轴方向的网格大小为2 mm，Z轴方向的网格大小为5 mm。筛孔处的网格进行了细化，网格尺寸最大为1.5 mm，整个计算域的网格总数大约为140万左右。采用空气和水为模拟工作介质，气体入口采用速度入口边界条件，压力出口作为气体出口的边界条件，出口静压为0，无滑移壁面边界作为壁面条件。

2.3 ?数值模拟过程

SIMPLEC算法应用到压力-速度耦合方程中，动量、湍动能和湍动耗散率方程的离散都采用二阶迎风格式，计算精度为10-3。模拟开始时，计算域的空气体积分率为1，即全部为空气，然后在塔板上方赋予一定高度的水，然后从气体入口开始计算。监测气体注入的时间，提取塔板下部的液相体积分率，同时提取筛孔处液相的质量流率。

3 ?结果和讨论

3.1 ?倾斜塔板漏液的实验结果

在塔板溢流强度Lw=1.62×10-3m3·s-1·m-1时，塔板漏液量随空塔气速动能因子变化曲线如图4所示，图4（a）表示塔板倾斜方向和板上液体流动方向相同，图4（b）表示方向相反。方向相同时，倾斜塔板漏液量小于水平塔板，倾角越大漏液量越少，倾角2?和4?塔板最大减少分别8.07%和15.07%。方向相反时，倾斜塔板漏液量大于水平塔板，倾角越大漏液量越多，倾角2?和4?塔板最大增加分别36.85%和46.81%。在FS=0.9 m·s-1（kg·m-3）0.5时，漏液量的减少变缓，这时塔板有气相沟流现象。

为了保证板式塔的正常操作，规定塔板漏液量不能大于液相流量的10%，当溢流强度Lw=1.62×10-3 m3·s-1·m-1时，冷模塔的操作下限对应的漏液为4.16×10-2 kg·s-1，水平塔板的气相操作下限为0.25 m·s-1。方向相同时，2°倾角塔板和4°倾角塔板气相操作下限分别0.20和0.17 m·s-1;方向相反时，2°倾角塔板和4°倾角塔板气相操作下限分别0.31 m·s-1和0.37 m·s-1。

FS=0.44 m·s-1（kg·m-3）0.5时，塔板漏液量随塔板溢流强度的变化曲线如图5所示，图5（a）表示塔板倾斜方向和板上液体流动方向相同，图5（b）表示方向相反。可以看出，塔板漏液量随着溢流强度的增加而增大。方向相同时，随着溢流强度的增加，水平塔板和倾斜塔板的漏液之差逐渐减小，方向相反时，漏液之差逐渐加大。

3.2 ?CFD模拟结果

当Fs=0.44 m?s-1（kg?m-3）0.5时，气相注入时间t=0.5 s时，在液层非等高剖面内的漏液情况如图6所示。图中可以观察到，沿塔板X軸方向，水平塔板液层等高并产生均匀漏液，倾斜塔板液层非等高发生不均匀漏液。倾角4?的塔板在液层薄的区域有气相沟流现象。

FS=0.44 m·s-1（kg·m-3）0.5时，水平塔板漏液的CFD模拟结果同实验和H&M[11]公式的对比如图7所示。可以看出，CFD的模拟结果同实验结果以及公式计算结果是基本吻合的。CFD模拟和实验测量的结果比公式计算结果小，因为气速增大，有一部分漏液被气相带回塔板。

塔板向左倾斜，FS=0.22 m·s-1（kg·m-3）0.5，Lw=1.08×10-3 m3·s-1·m-1时，沿着塔板X轴方向筛孔的漏液分布如图8所示。可以看出，水平塔板漏液沿着X轴方向变化不大，相邻筛孔漏液平均相差为0.51%，可以认为是均匀漏液。倾斜塔板沿着X轴方向，漏液量逐渐减小，相邻筛孔漏液相差最小为2.56%，最大为21.56%，发生不均匀漏液。

4 ?结论

（1）塔板倾斜方向与板上液相流动方向相同时，倾斜塔板漏液量小于水平塔板，倾角越大漏液量越少，塔板气相操作下限减小。塔板倾斜方向与板上液相流动方向相反时，倾斜塔板漏液量大于水平塔板，塔板气相操作下限增大，倾角越大漏液量越多。

（2）傾斜塔板的漏液量随塔板溢流强度增加而增大。随着溢流强度的增加，出现液面落差，塔板倾斜方向与板上液相流动方向相同时，水平塔板和倾斜塔板的漏液之差逐渐减小;塔板倾斜方向与板上液相流动方向相反时，漏液之差逐渐加大。

（3）沿着液相流动方向，水平塔板基本呈均匀漏液状态，倾斜塔板发生不均匀漏液，尤其在液层最薄处，漏液量和其它筛孔相差很大。三维数值模拟可以定量分析每个筛孔的漏液分布情况，对研究倾斜塔板的不均匀漏液有较好的实际意义。

参考文献：

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[5] 刘静，褚雅志，王领，等. 泡罩立体筛板的流体力学性能[J]. 化学工程， 2017， 45（7）： 18-21.

[6]孙玉春，涂郑禹，夏君. 筛孔塔板漏液操作状态下气液两相流场的CFD模拟研究[J]. 化学工程师， 2011， 187（4）， 23-25.

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[10]VAN BATEN J M， KRISHNA R. Modelling sieve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J].Chemical Engineering Science， 2000， 77： 143-151.

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