超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流動(dòng)與傳質(zhì)過程的數(shù)值模擬

1、第31卷第5期2004年北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYVol.31,No.52004超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流動(dòng)與傳質(zhì)過程的數(shù)值模擬許明張建文沈志剛3(,摘要:2擬研究。,分別利用SIMPLE算法和顆粒軌道模型計(jì)算,進(jìn)而計(jì)算了液相的傳質(zhì)系數(shù)。數(shù)值模擬所得的液相傳質(zhì)系數(shù)與氮,表明模型能夠用于模擬旋轉(zhuǎn)床中流體力學(xué)和分散相內(nèi)的傳質(zhì)過程。計(jì)算分析表明,對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床,在一定的轉(zhuǎn)速下,液體和氣體流量以及填料內(nèi)徑的變化對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)有重要影響。關(guān)鍵詞:超重力旋轉(zhuǎn)床;數(shù)值模擬;多相流體流動(dòng)與傳質(zhì);顆粒軌道模型中圖分類號(hào):TQ021引

2、言超重力旋轉(zhuǎn)床是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型、高效的強(qiáng)化混合和傳質(zhì)的反應(yīng)設(shè)備,目前已廣泛應(yīng)用于氣2液沉淀反應(yīng)制備納米材料、化工反應(yīng)和分離等方面122。在超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的氣液兩相流其主要特點(diǎn)在于氣液兩相逆向接觸,并在強(qiáng)大的離心力作用下,實(shí)現(xiàn)相間和相內(nèi)的強(qiáng)烈混合與分散,使傳質(zhì)過程得到極大強(qiáng)化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究328況下的傳質(zhì)過程進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明628,隨著超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高,傳質(zhì)和反應(yīng)過程得到加強(qiáng)。分析超重力旋轉(zhuǎn)床中的反應(yīng)傳質(zhì),必須對(duì)氣液兩相流體流動(dòng)與傳質(zhì)有深入的認(rèn)識(shí)。在前人的流體力學(xué)和傳質(zhì)模型中8210,主要存在三個(gè)方面的問題:忽略了氣相,而氣相的存在對(duì)液體

3、分散相的運(yùn)動(dòng)和凝并及分散有一定的影響;相比于實(shí)際的填料絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu),模型中對(duì)于絲網(wǎng)的處理過于簡(jiǎn)化;沒有考慮液滴的凝并和破碎。本文合理地簡(jiǎn)化了絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu),并在考慮液滴凝并和破碎的前提下,采用歐拉-拉格朗日法對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的氣液兩相運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了液相的傳質(zhì)系數(shù),并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較討論。3。Burns和Ramshaw利用高速頻閃攝影技術(shù)研究了旋轉(zhuǎn)床填料中液體的流動(dòng)形式,大致有“滴狀流”、“孔道流”、“膜狀流”三種基本形態(tài)。郭鍇4采用電視攝像的辦法觀測(cè)了旋轉(zhuǎn)床中的液體流動(dòng),并測(cè)定了液體的停留時(shí)間。張軍5和竺潔松6分別利用高速頻閃攝影技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的液體流動(dòng)進(jìn)行了同步和非同步觀察,發(fā)

4、現(xiàn)在填料空間內(nèi)大量的液體以液滴的形式存在。郭奮7對(duì)旋轉(zhuǎn)床中的液體流動(dòng)和氣相壓降及傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究。李振虎8對(duì)旋轉(zhuǎn)床中逆流和并流操作兩種情收稿日期:2003212230基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(20236020);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20010010004)第一作者:男,1979年生,碩士生3通訊聯(lián)系人E2mail:chenjf1超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流和傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型111總體物理模型描述與模型假設(shè)超重力旋轉(zhuǎn)床的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。氣相由氣體進(jìn)口管1進(jìn)入超重力旋轉(zhuǎn)床外腔,在氣體壓力的作用下由轉(zhuǎn)子外緣進(jìn)入填料區(qū)2,與液體逆流接觸并進(jìn)行傳質(zhì)后,由旋轉(zhuǎn)床內(nèi)腔經(jīng)氣體出

5、口管5排空。液體由液體進(jìn)口管進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔,經(jīng)液體分布器3淋灑在填料內(nèi)緣上。進(jìn)入填料的液體被高速旋轉(zhuǎn)的填料劇烈地微滴化后,同時(shí)分布在旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)填料的表面及填料空間,并在離心力的作用下向外運(yùn)動(dòng),從轉(zhuǎn)子的外緣甩出,由機(jī)殼匯集后由液體第5期許明等:超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流動(dòng)與傳質(zhì)過程的數(shù)值模擬31出口管4排出。運(yùn)動(dòng)控制方程:+=+r5zr5r5z5r5r+S2其中,t=c(2)(3)t1.氣體進(jìn)口;2.氣體出口2+-rr+r+r(4)湍流模型中各常數(shù)采用Launder11推薦的值C=0109,C1=1144,C2=1192,=113。k=110,113液相運(yùn)動(dòng)方程圖1Fig.1Diagramofrota

6、tingpackedbed根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè),對(duì)氣相,超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的氣相流動(dòng)基本上可視為不可壓縮牛頓流體的擬穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng),進(jìn)一步假設(shè)氣體流動(dòng)沿旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)動(dòng)方向(周向)分布均勻,各物理量無(wú)梯度分布,從而表現(xiàn)為沿徑向和軸向的軸對(duì)稱流動(dòng)的形式;對(duì)分散液滴相,只考慮氣相對(duì)液滴相的曳力和離心力的作用,忽略重量、慣性力、虛假質(zhì)量力、Basset力、Saffman力和Magnus力等的影響。在此基礎(chǔ)上,可列出如下的氣相運(yùn)動(dòng)方程和液滴相運(yùn)動(dòng)方程。112氣相運(yùn)動(dòng)方程在圓柱坐標(biāo)系下,建立氣相運(yùn)動(dòng)方程,其中采用模型考慮氣相的湍流,其變量如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)k2表1控制方程中(2)中的變量和系數(shù)及源項(xiàng)的表達(dá)式Table1Ge

7、neralvariables,coefficientsandsourcetermsofEquation(2)通用變量<uv基于拉格朗日方法采用顆粒軌道模型計(jì)算液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。瞬時(shí)的單液滴運(yùn)動(dòng)方程在三個(gè)方向上的表達(dá)式分別為(ug,z-up,z)=C2Ddt24dpp2(ug,r-rp,r)+=2CDdt24rdpp(5)(6)()(7)=Cu-u-Dg,p,2dt24rpdp其中Rep=u(up,-ug,)21/2(8)22urel=(up,z-ug,z)+(up,r-ug,r)+(9)CD=Rep擴(kuò)散系數(shù)+t+t-01687(1+0115Rep)1<Rep1000Rep>10

8、00(10)源項(xiàng)S+zzz-0144rr+rz在求解出顆粒運(yùn)動(dòng)速度后,根據(jù)下式可以求解出顆粒軌道=udt114液滴的凝并和分散+rzr-r2+rrrrr(11)wk+t+k-2-rr實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高速旋轉(zhuǎn)的絲網(wǎng)對(duì)液體有強(qiáng)烈的剪切微滴化作用。在此僅考慮絲網(wǎng)對(duì)液體的分散作用:即液滴如果撞擊到絲網(wǎng),則變?yōu)榇笮『退俣染嗤膬蓚€(gè)液滴,并獲得同絲網(wǎng)相同的周向速度。液滴脫離絲網(wǎng)后,在絲網(wǎng)填料空間內(nèi)液滴發(fā)生類似(1)G-k(C1G-C2)+連續(xù)性方程()+uj=0txj于噴霧過程的凝并和分散過程,液滴直徑的變化采用下面(12)公式12計(jì)算32北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)2004年20145C5(12)其中,C3,C4,

9、C5為模型參數(shù),由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。+C4Vdp=urel(e)t-(k/k22)(15)115簡(jiǎn)化的絲網(wǎng)填料結(jié)構(gòu)為便于后文的分析,這里將絲網(wǎng)填料的幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為周向絲、沿軸向的橫絲和沿徑向的豎絲,每層絲網(wǎng)由周向絲和橫絲構(gòu)成,層與層之間由豎絲來(lái)連接。奇數(shù)層與奇數(shù)層()同的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu),而連接奇數(shù)層-偶數(shù)層(或偶數(shù)層-)的層間豎絲具有相同的結(jié)構(gòu)(見圖2)。只要知道了液滴的直徑和飛行時(shí)間就可以得到絲網(wǎng)空間內(nèi)液相的傳質(zhì)系數(shù)K。根據(jù)液滴相運(yùn)動(dòng)方程可以獲得液滴在絲網(wǎng)空間的的停留時(shí)間,進(jìn)一步獲。停留時(shí)間/VtKA=trestres(16)17圖2簡(jiǎn)化的絲網(wǎng)填料結(jié)構(gòu)Fig.2Simplifieddiagramo

10、fnetpacking116旋轉(zhuǎn)床中液滴的傳質(zhì)模型氣相控制方程采用控制容積法離散,求解過程采用SIMPLE方法13,擴(kuò)散2對(duì)流項(xiàng)的處理采用冪函數(shù)方案。計(jì)算采用交錯(cuò)網(wǎng)格,計(jì)算采用的網(wǎng)格數(shù)為102×252(軸向×徑向),收斂條件為離散化守恒方程的殘差小于1×10-11。數(shù)值計(jì)算的邊界條件為:a1入口速度根據(jù)實(shí)驗(yàn)流量、入口處流通截面積確定;b1出口截面各參數(shù)=0,壓力給定;xc1軸線處,徑向速度v=0,周向速度w=0,其他變量=0;xd1壁面為非滑移條件;e1在靠近固體壁面的區(qū)域內(nèi),層流底層的粘性作用增強(qiáng)而湍流擴(kuò)散相對(duì)減弱,采用壁面函數(shù)法處理。液相運(yùn)動(dòng)方程采用Runge

11、2Kutta法求解:首先得到液滴在任意時(shí)刻的各速度分量,在計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)積分即可以確定該時(shí)刻液滴的位置,根據(jù)液滴的位置判斷液滴是否與絲網(wǎng)碰撞,然后計(jì)算液滴的瞬時(shí)傳質(zhì)系數(shù)。接著進(jìn)行下一輪計(jì)算,直至液滴撞擊到旋轉(zhuǎn)床外腔壁面,計(jì)算結(jié)束。忽略液滴的內(nèi)部運(yùn)動(dòng),并假設(shè)液滴初始內(nèi)部濃度均勻一致,由此可以建立簡(jiǎn)化的液滴內(nèi)部濃度隨半徑和時(shí)間變化的傳質(zhì)方程及相應(yīng)的邊界和初始條件c=ce(r=rp)2=2r=0(r=0)(13)trrr(t=0)c=c0無(wú)因次化后求解,可以獲得無(wú)量綱的濃度分布2數(shù)值計(jì)算結(jié)果及討論分析211氣體流場(chǎng)的模擬結(jié)果及討論c=k=1-2(-1)ke)t-(k2r)/(kr)sin(k(14)

12、模擬計(jì)算條件為:液體流量,4m3/h;氣體流量,36m3/h;填料內(nèi)徑,400mm;旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速,800r/min。其中c=t;r=;t=c0-cerpr2pk=1計(jì)算結(jié)果如圖36所示。由數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果可以看出:(1)在氣體入口端處左右都存在卷吸導(dǎo)致的回流區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)氣體對(duì)液滴有一定的推動(dòng)作用,使液滴甩向離開入口區(qū)的旋轉(zhuǎn)床外壁面;(2)進(jìn)而得到液相傳質(zhì)的Sherwood數(shù)2Sh=2DABc5rr3=1e)t-(k2k=1在填料區(qū),由于填料旋轉(zhuǎn)作用,氣體被加速具有較大的切向速度。在該區(qū)域液相主要受到氣體切向摩擦第5期許明等:超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流動(dòng)與傳質(zhì)過程的數(shù)值模擬33的作用;(3)軸

13、線附近的區(qū)域徑向速度和切向速度較小,氣相的軸向速度成為主導(dǎo)。此時(shí)氣體對(duì)液滴相產(chǎn)生夾帶作用,對(duì)傳質(zhì)過程不利。動(dòng)相對(duì)于絲網(wǎng)存在滯后。在周向上與初始入射角度相比,運(yùn)動(dòng)軌跡沿旋轉(zhuǎn)方向的反方向有一定角度的偏移。計(jì)算得到液滴經(jīng)過34層絲網(wǎng)即被捕獲更新,液滴直徑的變化規(guī)律基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致:液滴,隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而減小圖3rz平面上的速度矢量圖Fig.3Vectorplotofuandvinr2zplane圖6r2z平面上的軸向速度的等值線圖Fig.6Contourplotofuinr2zplane圖4r2z平面上的徑向速度的等值線圖Fig.4Contourplotofvinr2zplane圖7不同入射角度

14、的液滴軌跡圖Fig.7Trajectoryofdropletmotionalongr2zplaneatdifferentincidentangels213液相傳質(zhì)系數(shù)的模擬結(jié)果及討論利用本模型模擬了氮?dú)饨馕腥芙庋醯膫髻|(zhì)過程,數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖8和9所示。由模擬結(jié)果可以得到如下結(jié)論:(1)平均體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣體流量的增大而增大,并隨著液體流量的增大,氣體流量的影響更為明顯。這是由于隨著液體流量增大,液滴的凝并頻率增加,而氣體流量的增大有利于液滴的分散。(2)平均體積傳質(zhì)系數(shù)隨液體流量的增大而增大,絲網(wǎng)對(duì)液體的剪切破碎更加劇烈,相界面增大,強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。(3)隨著填料內(nèi)徑和液體

15、流量的增大,填料內(nèi)徑對(duì)于提高平均體積傳質(zhì)系數(shù)的作用更加突出。這是因?yàn)殡S著填料內(nèi)徑的增大,填料內(nèi)徑處液體和絲網(wǎng)填料的相對(duì)速度增大,碰撞更加劇烈,剪切分散效果更好,傳質(zhì)面積增加,表面更新速率加快。隨著液體流量的增圖5r2z平面上的周向速度的等值線圖Fig.5Contourplotofwinr2zplane212液滴運(yùn)動(dòng)的模擬結(jié)果及討論液相傳質(zhì)過程主要在填料內(nèi)進(jìn)行,填料空間內(nèi)液滴運(yùn)動(dòng)的軌跡的模擬結(jié)果如圖7所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象一致,液體被絲網(wǎng)捕獲后,獲得與絲網(wǎng)一致的周向速度,被絲網(wǎng)甩出后,周向速度小于更大半徑處的絲網(wǎng)的速度,所以液滴運(yùn)34北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)2004年加,較大的填料內(nèi)徑對(duì)

16、于填料剪切破碎液體的作用更為明顯,對(duì)提高體積傳質(zhì)系數(shù)的影響增強(qiáng)。速度增大,碰撞概率和強(qiáng)度增大,分散效果增強(qiáng),從而平均體積傳質(zhì)系數(shù)增大。符號(hào)說明A傳質(zhì)面積,m2c,mol/m33c0cemD,m/sdp液滴直徑,m23圖8Fig.8coefficientofmasstransferversusinnerdiameterG湍流動(dòng)能產(chǎn)生率,Pa/sk湍流動(dòng)能,m/sK傳質(zhì)系數(shù),m/sp壓力,Par徑向坐標(biāo),mrp液滴半徑,mR徑向長(zhǎng)度,mRe雷諾數(shù)S方程的源項(xiàng)t時(shí)間,stres液體的停留時(shí)間,su軸向速度,m/sujj方向的速度分量,m/surel相對(duì)速度,m/sv徑向速度,m/sV填料體積,m32

17、2圖9不同的氣體流量下的體積傳質(zhì)系數(shù)Fig.9VolumetriccoefficientofmasstransferversusflowrateofgasVG氣體體積流量,m3/h3結(jié)論(1)本文提出了超重力旋轉(zhuǎn)床中氣2液兩相流動(dòng)VL液體體積流量,m/hw周向速度,m/sxj坐標(biāo)方向,mz軸向坐標(biāo),mZ軸向長(zhǎng)度,m3和傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了氣流場(chǎng)和液滴運(yùn)動(dòng)的軌跡,進(jìn)而計(jì)算了平均體積傳質(zhì)系數(shù),模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。(2)模擬結(jié)果表明在超重力旋轉(zhuǎn)床中,氣相流動(dòng)對(duì)液體有影響。由于液滴和填料的速度差,液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和入射時(shí)相比在周向上存在逆旋轉(zhuǎn)方向的偏移。(3)在一定旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速下,氣體和液體

18、流量以及填料內(nèi)徑的變化都對(duì)平均體積傳質(zhì)系數(shù)有著顯著的影響。氣體流量的增大有利于液滴的分散,增大相界面積,從而有利于提高平均體積傳質(zhì)系數(shù);液體流量增加,絲網(wǎng)填料的破碎分散作用得到更好的體現(xiàn),相界面積和傳質(zhì)推動(dòng)力增大,平均體積傳質(zhì)系數(shù)增大;而填料內(nèi)徑的增大,使得液滴和絲網(wǎng)填料的相對(duì)希臘字母湍流耗散率,m2/s3液體的密度,kg/m3p氣體的密度,kg/m3分子黏度,Past湍流黏度,Pas表面張力,N/m通用變量擴(kuò)散系數(shù),Pas下角標(biāo):g氣相p液滴相周向第5期許明等:超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流動(dòng)與傳質(zhì)過程的數(shù)值模擬z軸向r徑向356竺潔松.旋轉(zhuǎn)床內(nèi)液體微?；瘜?duì)氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的作用D.博士學(xué)位論文.北京

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