半干法脫硫噴霧液滴蒸發模型的研究

耿 濤，王宗明，孟瑞晨，于振興

(中國石油大學(華東) 新能源學院，山東 青島 266580)

半干法煙氣脫硫技術的初始投資少、運行維護方便，適于中小型企業的煙氣處理[1]。噴霧干燥是半干法煙氣脫硫的技術關鍵，直接影響其運行成本。對噴霧干燥過程的研究包含實驗方法和計算流體力學方法[2-4]。近來，CPFD軟件已經能夠對工業尺度的流固兩相流問題進行模擬計算，目前應用的蒸發模型未考慮溶質濃度對蒸發速度的影響[5-6]。本文基于Barracude軟件的反應模型，考慮溶質濃度對液滴蒸發速度影響，開發了新液滴蒸發模型，并進行了驗證分析。

1 蒸發模型

針對液滴在脫硫塔內傳熱傳質的過程，假設液滴為球形，液滴內部溫度分布均勻，忽略熱輻射的作用，且不考慮液滴的沸騰過程、及干燥過程中液滴表面溶質結殼對蒸發過程的影響。

在干燥過程中，液滴表面存在水氣化與凝結的動態平衡過程，顆粒與氣相的傳質速率為

(1)

式中：mp為顆粒質量,kg；Ap為顆粒表面積,m2；Mw為水的相對分子質量。Ni為水蒸氣的摩爾流率(kg·mol/m2·s)，可由式(2)計算：

Ni=kc(Ci,s-Ci,g)

(2)

式中：kc為傳質系數,m/s；Ci,g為氣相中水蒸氣的濃度，kg·mol/m3；Ci,s為顆粒表面水蒸氣的濃度，kg·mol/m3，可由式(3)計算：

(3)

式中：R為氣體常數；Tp為顆粒溫度，K。Pv,s為含有一定濃度溶質的液滴的飽和蒸氣壓，引入Raout’s定律，假設液滴各處溶劑濃度相等，則Pv,s可由式(4)計算：

Pv,s=αlPw,s

(4)

式中：αl為液滴中溶劑的濃度，kg·mol/m3;Pw,s為純液體表面的飽和蒸氣壓,Pa。

2 參數計算

查《化學化工物性數據手冊》[7]可得到不同溫度下水蒸氣分壓，Barracuda軟件對于反應速率的定義形式為阿倫紐斯和多項式，利用Origin軟件將查得的數據進行指數形式的擬合，得到Pw,s的表達式為式(5)，近似誤差如圖1所示。

Pw,s=2.21×1010exp(-4 600/T)

(5)

圖1 水蒸氣分壓擬合誤差圖

傳質系數kc可由公式(6)計算：

(6)

式中：Sh為施伍德數；Dab為水蒸氣擴散系數；dp為顆粒粒徑，m。

其中施伍德數Sh可由式(7)計算：

Sh=2.0+0.6Re1/2Sc1/3

(7)

式中：Re為雷諾數，Sc為施密特數。由于Barracuda反應動力學定義形式的限制，在此忽略相對速度的影響，取Sh=2。

水蒸氣擴散進入環境氣體的擴散系數是溫度和壓力的函數，可用式(8)計算：

(8)

式中：D0為在溫度為T0、壓力為p0時水蒸氣擴散進入環境氣體的擴散系數。查得，在T0=373K，壓力p0=101 325 Pa時，D0=0.371×10-4m2/s；蒸發過程中，可認為壓力為大氣壓保存不變，整理得：

Dab=5.15×10-9T3/2

(9)

將上述數據整理，得到液滴蒸發模型：

(10)

式中：m1為水的質量，kg。

3 UDF編寫

UDF的編寫過程如圖2所示。首先，將需要用到的空氣、水蒸氣、水三種工質由Barracuda的材料庫導入，然后手動定義材料庫中沒有的硫酸鈉。選擇計算方法為離散顆粒法。然后輸入式(10)的相關系數和顆粒相關系，定義反應速率系數，再用反應速率系數定義蒸發過程。

圖2 UDF編寫過程

4 蒸發模型的驗證

以硫酸鈉溶液為例，根據查爾斯沃思[8]的實驗條件對液滴在不同溫度、空氣流速、初始粒徑以及初始溶質濃度下進行了數值模擬，驗證了新液滴蒸發模型的正確性，結果見圖3～圖6。

圖3 空氣速度對干燥速度的影響

圖4 初始液滴直徑對干燥速度的影響

圖3描述了不同空氣速度對液滴蒸發速度的影響，如圖3所示，模型的預測結果跟實驗結果比較吻合，即空氣流速越大，液滴干燥速率越快。圖4為不同液滴初始直徑下液滴的干燥速度，從圖4中可以看出，模型的預測結果與使用結果相吻合，即液滴直徑越小，干燥速度越快。圖5為不同空氣溫度下液滴的干燥速度，從圖5中可以看出，數值模擬結果比較準確地反映

圖5 空氣溫度對干燥速度的影響

了液滴蒸發速度與空氣溫度的關系，即空氣溫度越高，液滴干燥越快。圖6為不同液滴初始濃度下液滴的干燥速度，從圖6中可以看出模擬結果比較準確地反映了液滴蒸發速度與溶液濃度的關系，即溶液濃度越高，干燥速度越慢。

圖6 溶液濃度對干燥速度的影響

5 結 論

建立了考慮溶質濃度的液滴蒸發數學模型，通過與查爾斯沃斯干燥實驗的實驗結果對比，驗證了該模型在不同空氣速度、初始滴徑、空氣溫度、溶液濃度條件下都具有較高的精度，可用于工業脫硫系統、以及其他大型噴霧干燥系統的計算研究。