填料毛細(xì)管精餾過(guò)程中氣液兩相流動(dòng)特性及其影響因素的數(shù)值分析

張 英，胡 丞，李 飛，曹 軍

（1. 中國(guó)石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 106045；2. 華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

共沸物的傳統(tǒng)分離方法有共沸精餾、萃取精餾和加鹽精餾等，但都需要對(duì)添加劑進(jìn)行分離回收，能耗也大［1-4］。近年來(lái)，膜分離［5］方法發(fā)展迅速，但存在成本高、蒸氣通量小、導(dǎo)熱效果差、分離壽命短等弊端。毛細(xì)管精餾是一種新型的精餾技術(shù)，它耦合了表面吸附、毛細(xì)管作用和精餾機(jī)理，通過(guò)毛細(xì)結(jié)構(gòu)使共沸組分的活度系數(shù)和飽和蒸氣壓等產(chǎn)生差異性的改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)共沸溶液的分離。張?jiān)诖海?］研究發(fā)現(xiàn)具有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的活性氧化鋁填料可顯著改變乙醇-水溶液的汽液平衡，改變組分間的相對(duì)揮發(fā)度，達(dá)到對(duì)乙醇分離提純的目的。精餾塔內(nèi)氣液兩相流的流場(chǎng)分布對(duì)毛細(xì)管精餾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重要的影響。目前，關(guān)于毛細(xì)管精餾方面的流體力學(xué)計(jì)算報(bào)道較少。梁曉光等［7-8］采用計(jì)算流體力學(xué)模擬研究了在毛細(xì)管中氣液兩相流分布的情況，并探究壁面作用、氣液速率和流體物性對(duì)毛細(xì)管通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的影響。崔奇志［9］模擬研究了毛細(xì)管道內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)特性，探究氣液兩相流在二維和三維物理模型下的流動(dòng)特性，并發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管道結(jié)構(gòu)和管道截面等對(duì)氣液兩相流動(dòng)特性的影響。

本工作通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模型，對(duì)填料毛細(xì)管精餾塔內(nèi)氣液兩相的流場(chǎng)和速度場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算分析，研究了在不同的填料孔隙率（ε）、氣相和液相進(jìn)口速率等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作工藝條件下，填料毛細(xì)管精餾塔內(nèi)氣液兩相分布和速度場(chǎng)分布特性。

1 基本原理、模型的構(gòu)建與求解

1.1 毛細(xì)管精餾的基本原理

毛細(xì)管精餾技術(shù)［10-12］主要是通過(guò)毛細(xì)管填料的精餾作用、吸附作用和毛細(xì)作用共同耦合作用下進(jìn)行共沸物分離。對(duì)于精餾作用，上升蒸氣與回流液體在毛細(xì)管填料表面與精餾塔內(nèi)充分接觸，進(jìn)而進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱過(guò)程。對(duì)于吸附作用，毛細(xì)管填料表面及內(nèi)部對(duì)不同組分的吸附情況不同，有利于共沸溶液組分間的分離。對(duì)于毛細(xì)作用，一方面毛細(xì)管外液體冷凝釋放潛熱，另一方面毛細(xì)管使溶液組分飽和蒸氣壓降低，從而使毛細(xì)管中的組分發(fā)生多次的部分汽化和部分冷凝。由于不同組分飽和蒸氣壓在毛細(xì)管中的變化程度不同，導(dǎo)致汽化和冷凝程度也不同，從而使溶液氣液相平衡發(fā)生改變，并使溶液的相對(duì)揮發(fā)度增大，最終分離共沸溶液。

1.2 模型的構(gòu)建

1.2.1 兩相流模型

填料毛細(xì)管精餾模型中的氣液兩相流通過(guò)VOF模型來(lái)計(jì)算。VOF模型通過(guò)追蹤氣液兩相在網(wǎng)格單元中體積分?jǐn)?shù)的不同來(lái)判斷相界面的位置。在計(jì)算單元中，用F表示氣相體積分?jǐn)?shù)，因此可分為以下三種情況：F=0代表單元里不存在氣相，都是液相；F=1代表單元里都是氣相；0＜F＜1代表單元里包含了氣液相的相界面。

1.2.2 多孔介質(zhì)模型

以多孔介質(zhì)模型描述毛細(xì)管結(jié)構(gòu)填料，在多孔介質(zhì)模擬計(jì)算域中，對(duì)流體的流動(dòng)阻力通過(guò)在動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)來(lái)模擬計(jì)算。該源項(xiàng)由兩部分組成，分別為Darcy黏性阻力項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)。當(dāng)多孔介質(zhì)流域中的流體流動(dòng)為層流時(shí)，此時(shí)流體的壓降與流速成正比關(guān)系。當(dāng)流體的流動(dòng)速度較高時(shí)，可忽略滲透項(xiàng)，保留慣性損失項(xiàng)。

1.2.3 幾何模型構(gòu)建

為分析填料毛細(xì)管精餾裝置中的氣液兩相流分布狀態(tài)及其影響因素，采用二維模型對(duì)填料毛細(xì)管精餾塔內(nèi)的流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行模擬分析［13］。塔內(nèi)部具有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的氧化鋁填料，在模擬中采用多孔介質(zhì)模型。模擬對(duì)象為圓柱形毛細(xì)管填料精餾塔。塔徑為0.05 m，高度為1 m。精餾塔里面裝填具有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的球狀氧化鋁填料（ε=0.5）。

1.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算區(qū)域采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，分別對(duì)4種網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，劃分的網(wǎng)格大小在1 mm以下、網(wǎng)格數(shù)在50000以上時(shí)，氣液兩相交界面處過(guò)渡自然，且分布良好，沒(méi)有明顯的差異，因此本工作確定網(wǎng)格尺寸大小為1 mm。

1.4 邊界條件

氣相入口邊界條件：氣相入口流速（UG），氣相含率為1；氣相出口邊界條件：假定流動(dòng)為完全發(fā)展，設(shè)置出口表壓為0；液相入口邊界條件：液相入口流速（UL），液相含率為1；液相出口邊界條件：假定流動(dòng)為完全發(fā)展，設(shè)置出口表壓為0；壁面邊界條件：絕熱，無(wú)滑移邊界。

1.5 數(shù)值求解方法

計(jì)算求解器選用 Fluent 軟件，離散時(shí)，時(shí)間項(xiàng)采用隱格式，壓力-速度耦合方程采用PISO方案來(lái)求解，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，壓力項(xiàng)采用PRESTO！模式，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 不同UG對(duì)氣液兩相體積分布及速度場(chǎng)分布的影響

圖1為填料毛細(xì)管塔內(nèi)不同UG下氣液兩相分布及速度場(chǎng)分布情況，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合啵t色區(qū)域?yàn)闅庀唷Ｓ蓤D1a可知，隨著UG增加到0.6 m/s時(shí)，液相分布分散、細(xì)化均勻，有利于相間傳質(zhì)與傳熱。當(dāng)UG達(dá)到1.0 m/s時(shí)，液體流動(dòng)阻力變大，導(dǎo)致壁流現(xiàn)象嚴(yán)重。由圖1b可知，在不同UG下，豎直方向上速度分布較均勻，說(shuō)明塔內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)。各操作工況橫界面上速度均有差異，分析原因可能是多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性差異引起的。

圖1 不同UG下氣液兩相分布（a）及速度場(chǎng)分布（b）Fig.1 The gas-liquid two-phase distribution(a) and velocity field distribution(b) under different UG.

2.2 不同UL對(duì)氣液兩相體積分布及速度場(chǎng)分布的影響

圖2為填料毛細(xì)管塔內(nèi)不同UL下氣液兩相分布及速度場(chǎng)分布情況，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合啵t色區(qū)域?yàn)闅庀唷Ｓ蓤D2a可知，當(dāng)UL增加至0.4 m/s時(shí)，液相分布較好、細(xì)化且均勻，有利于相間傳質(zhì)；當(dāng)UL＞0.5 m/s時(shí)，液相壁流現(xiàn)象逐漸增加，原因分析可能是由于填料毛細(xì)管孔徑太小，阻力較大，隨著液體增多，導(dǎo)致壁流現(xiàn)象。由圖2b可知，隨著UL的增加，氣液兩相的速度場(chǎng)分布逐漸均勻，分析原因可能是液體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力較大，隨著液體的增加，流動(dòng)更加趨于穩(wěn)定流動(dòng)。

2.3 不同ε對(duì)氣液兩相體積分布及速度場(chǎng)分布的影響

圖3為填料毛細(xì)管塔內(nèi)不同ε下氣液兩相分布及速度場(chǎng)分布情況，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)橐合啵t色區(qū)域?yàn)闅庀唷?/p>

圖2 不同UL下氣液兩相分布（a）及速度場(chǎng)分布（b）Fig.2 The gas-liquid two-phase distribution(a) and velocity field distribution(b) under different UL.Conditions：UG=0.6 m/s，ε=0.5.

圖3 不同ε下氣液兩相分布（a）及速度場(chǎng)分布（b）Fig.3 The gas-liquid two-phase distribution(a) and at velocity field distribution(b) under different ε.Conditions：UG=0.6 m/s，UL=0.5 m/s.

由圖3a可知，隨著ε的增加，液體流動(dòng)阻力減小，因此壁流現(xiàn)象逐漸減弱；當(dāng)ε=0.5時(shí)，氣液分布較均勻，結(jié)果較好。由圖3b可知，隨著ε的增加，氣液兩相的速度分布差異變大，這可能是因?yàn)棣诺脑黾樱档土肆鲃?dòng)阻力，使流動(dòng)不穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）氣、液相進(jìn)口速率和填料ε對(duì)氣液兩相的分布均有較大影響。探究UG的影響時(shí)，UL=0.5 m/s，UG在0.2～1.0 m/s之間取0.6 m/s時(shí)結(jié)果較好；探究UL的影響時(shí)，UG=0.6 m/s，UL在0.3～0.7 m/s之間取0.4 m/s時(shí)結(jié)果較好；探究ε的影響時(shí)，UL=0.5 m/s，UG=0.6 m/s，ε在0.3～0.8之間取0.5時(shí)結(jié)果較好。

2）通過(guò)對(duì)氣液兩相分布狀態(tài)的分析，明確了符合最優(yōu)氣液兩相相際傳質(zhì)特性的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，對(duì)后續(xù)填料毛細(xì)管精餾的實(shí)驗(yàn)具有良好的指導(dǎo)作用。