随机球填料旋转填充床内气液流动过程的CFD模拟研究

• 作 者: 王佳琦
• 出 处: 北京化工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 旋转填充床 计算流体力学 球填料 压降 牛顿型/非牛顿型流体

结合绿色化工技术的开发和研究,逐步消除环境污染成为化学工业未来发展的一个主要方向。化工过程强化技术以其减小设备占地面积、提高能源效率等优势在绿色化工生产中引起极大关注。近些年来,基于超重力技术设计的旋转填充床在传质和混合等过程中体现出显著的强化效果,在工业应用上显露出广阔的前景。随着计算水平和数值模型的发展,计算流体力学(CFD)技术成为了一种在分析详细流体流动信息、设计和优化设备内构件结构等方面具有巨大潜力的工具。本文结合前人的相关研究成果,采用了 CFD模拟、理论分析和实验方法三者相结合的思路,以随机球填料旋转填充床为研究对象,详细研究了旋转床内部气相、液相牛顿型和非牛顿型流体流动过程,为旋转填充床内构件的优化和操作参数的合理选择提供了理论指导。主要研究成果如下:(1)首次构建三维随机球填料旋转填充床CFD模型,球填料几何模型与真实填料结构高度吻合,使用Realizable k-ε湍动方程对床层内气相流场进行了模拟计算。结果表明旋转填充床总干床压降CFD模拟值和实验值误差在±20%以内;填料区分压降和气相切向速度随转速的增加而明显增加,而气量的增加主要导致气相径向速度和内外空腔区分压降的增加;转子外缘附近显示出更高的湍动能,表明存在气相端效应区;基于压降模拟数据结合填料区壁面效应提出了预测旋转床填料区干床压降的半经验关联式,关联式压降计算结果和模拟数据吻合度良好。(2)构建了二维CFD模型模拟旋转填充床填料区内牛顿型流体的液相流动过程,分析了液相流动模式的变化,研究了填料表面性能、操作参数和液体性质对持液量和液体比表面积的影响规律。结果表明模拟得到的液相分布云图与文献中CT拍摄图相似,验证了模型的合理性;液量和液体黏度的增加引起持液量增加,而增大填料接触角、转速时持液量则会减小;转速、气量及液量均对液体比表面积增加具有促进作用,但增大填料接触角和液体黏度时会减小液体比表面积。(3)基于已构建的二维CFD模型,以文献中CMC溶液体系为研究对象,通过添加自定义非牛顿流体剪切速率模型实现了旋转填充床填料区内液相非牛顿型流体流动过程的数值模拟。结果表明在低转速时填料区相同表观黏度下的牛顿流体和非牛顿流体的流动模式较为相近;随液量和CMC溶液浓度的增加,持液量呈现增加趋势,但液体比表面积随之减小;转速的增加引起持液量的减小,但对液体比表面积的增加具有明显的促进作用;气液有效界面面积主要随液量、转速、CMC溶液浓度的增加而增加,若持续增大时会造成其增速放缓或减小;结合CFD模拟数据得出一定操作范围内填料区气液有效界面面积的关联式,将关联式计算值与CFD模拟值对比发现误差在±15%以内,为旋转填充床内操作条件选择和进一步的传质研究提供了理论基础。