VOCs 處理裝置系統流域fluent 數值分析＊

李一偉，施俊奇，吳興祥，李曉東

（中船海洋動力部件有限公司，上海201306；上海海事大學，上海201306）

油漆間工作時會產生大量的揮發性有害氣體，會不同程度地影響當地環境和人們的生活環境水平，因此對于有害氣體的收集和處理顯得愈發重要，同時新的公約標準對工業區有害氣體的排放有進一步要求，針對這些要求，公司研發生產了一套VOCs（Volatile Organic Compounds）收集處理裝置[1]。為了更可靠、更方便和更有科學依據地說明此套設備的性能，需要對其流場特性展開研究與分析[2-3]。

VOCs 裝置通過風機吸入工作車間里被污染后的氣體，然后通過一系列的緩沖、過濾、催化等裝置，對其進行凈化處理，達到符合公約排放標準后，再排入大氣中。而裝置內部流場分布情況與流通性直接影響著整個裝置的處理效果與經濟性能[4]。為了更加直觀地了解和觀察整個裝置的氣體流通情況，了解整個裝置的流通性能，需要對整個裝置流域進行流體數值仿真模擬[5]。

1 三維模型建立

1.1 總體裝置模型的建立

對于整個裝置的流體分析，為了更加準確地反映實際工作裝置的流通性以及其他考慮因素的具體情況，首先需要建立一個合理的、符合實際的流體區域。為了充分反映實際，需要根據實際的設備尺寸等信息對VOCs 收集處理裝置進行參數建模。

此次仿真實驗VOCs 收集處理裝置總安裝模型如圖1 所示，VOCs 收集處理裝置模型如圖2 所示，其主要由油漆間、過濾緩沖組合裝置、吸附系統、催化床、管路、1 臺吸附風機、1 臺脫附風機等設備構成，主要用于收集處理油漆間的VOCs 氣體，通過一系列的過濾與催化使其滿足排放標準的要求。

圖1 VOCs 收集處理裝置總安裝模型

圖2 VOCs 收集處理裝置模型

1.2 總體流場模型提取

為了減少相應的計算量，對一些對結果影響比較小的細節進行優化，忽略無關的細節特征。例如泵的壓力與泵的結構，包括葉輪形狀、腔室結構等。但在此次實驗仿真中，泵的主要目的是提供一定的負壓，實現抽排功能。考慮到其分析的計算量，發現泵的動態流場仿真對此次仿真實驗意義不大。將泵體的流場分析簡化為相應的流道或設定對應的出口壓力進行替換，另外忽略其他對流場分布影響較小的部分。VOCs收集處理裝置流場模型如圖3 所示。

圖3 VOCs 收集處理裝置流場模型

2 fluent 仿真模型設置

2.1 確立VOCs 裝置流場邊界條件

整個系統的流量與抽氣機的風量直接相關，假設在理想狀況下的系統流量完全由抽氣機的風量決定，設定整體系統的入口風量為：

式（1）中：Q為風機的風量，m3/h；Sin為入口截面面積。

將5 000 m3/h 以及半徑r=0.41 m 代入式（1）中，解得vV。VOCs 裝置空氣入口邊界fluent 如圖4 所示。

圖4 VOCs 裝置空氣入口邊界fluent

與此同時，仍需要確定VOCs（甲苯作為代表）的揮發速率，由于揮發性物質肉眼不可見而且難以直接測量，直接測量VOCs 的揮發量存在很大難度，因此通過測量揮發時房間的平均質量濃度，來間接換算VOCs 的揮發量：

式（2）中：cm為甲苯室內質量濃度，mg/m3。

將Q=5 000 m3/h、cm=200 mg/m3代入式（2）中確定vm=0.000 277 8 kg/s。VOCs 裝置污染物入口邊界fluent 如圖5 所示。

圖5 VOCs 裝置污染物入口邊界fluent

2.2 設定多孔區域

對多孔介質中流動特性的理論研究，通常是根據具體的多孔材料，將復雜的孔隙結構加以幾何簡化，提出相應的結構模型，如球體堆積模型、圓柱體或纖維模型、管束模型和網絡模型等。

催化床模型以及催化劑內部結構如圖6 所示，裝置下部為換熱器，中間填充100 mm×100 mm×50 mm的催化劑，總高150 mm。為了研究整體的流場特性，催化床等多孔介質不能忽略，需要對其進行模型簡化，用數學模型方式定義到流體仿真中。多孔介質模型示意圖如圖7 所示。

圖6 催化床模型以及催化劑內部結構

圖7 多孔介質模型示意圖

動量方程阻力源項：

式（4）中：Dμ、Cμ分別為粘性阻力系數和慣性阻力系數。

粘性阻力系數與慣性阻力系數可以通過測量多孔介質前后壓強的關系來進行擬合，也可以通過公式（5）（6）[6]來確定：

式（5）（6）中：Dp為平均顆粒直徑；ε為孔隙率。

此例中，取ε=0.85，取Dp=3 mm。把整體式蜂窩型催化劑材料當作多孔區域來等效處理，根據流動阻力模型[7]計算出其粘性阻力系數和慣性阻力系數，由于整體式的蜂窩材料并非各項同性，流通方向與橫截面方向存在差異，流通方向的粘性阻力系數和慣性阻力系數明顯小于橫截面方向。在仿真工程中，把流通方向的阻力系數乘以1 000 來等效處理橫截面處的粘性阻力系數和慣性阻力系數。多孔介質參數設定如圖8 所示。

圖8 多孔介質參數設定

2.3 進行求解設置，求解

在確認完流場區域模型、邊界條件、區域屬性設置之后，需要對流場進行求解器設置，設置求解迭代步、求解時間，使其結果收斂。

3 實驗結果與分析

通過對仿真結果與實際的壓力變化情況進行比較，來初步判斷仿真模型的有效性。在此示例中，設置出口壓力為0 Pa，空氣進口流速為2.63 m/s，污染物進口質量流為0.000 277 8 kg/s。

3.1 壓力分布

各裝置實際壓降情況如表1 所示。VOCs 收集處理裝置仿真結果曲線圖如圖9 所示。

表1 各裝置實際壓降情況（單位：Pa）

圖9 VOCs 收集處理裝置仿真結果曲線圖（含過濾緩沖裝置）

仿真分析中，總體裝置加管路壓降大致為800 Pa，而實際管路中的總體緩沖吸附總壓降為1 000 Pa。仿真結果與實際存在誤差，大致符合實際設備壓降情況。下面通過以下場合和工況特性來分析此次設備裝置的實用性。VOCs 收集處理裝置獨立裝置流場情況：油漆間、過濾緩沖裝置、吸附沉淀。

對于VOCs 收集處理裝置來說，質量濃度分布不均勻會影響收集處理裝置的效果，在設備設計良好的情況下，當有害氣體在收集處理裝置中，質量濃度分布均勻時，收集處理效果會更好，催化劑的催化效果能更充分顯現。

質量濃度分布：油漆間總高3.5 m，從中間開始每隔0.7 m 設立一個觀察面，來監測房間內甲苯氣體質量濃度分布情況。油漆間內監測平面分布如圖10 所示。油漆間內甲苯質量濃度分布情況（間隔0.7 m）如圖11所示。油漆間內甲苯質量濃度分布情況（間隔2 m）如圖12 所示。

圖10 油漆間內監測平面分布

圖11 油漆間內甲苯質量濃度分布情況（平面由高到低間隔0.7 m）

圖12 油漆間內甲苯質量濃度分布情況（平面由左到右間隔2 m）

通過觀察房間內甲苯質量濃度分布圖可知，房間內的甲苯由進口到出口，云圖顏色從大范圍黑色變為大范圍的淺灰色（對應更高質量濃度的甲苯），質量濃度呈現遞增趨勢。表明VOCs 處理裝置的布置在新風和舊風的置換過程中出現比較明顯的結果云圖，對室內有害氣體的收集起到明顯的效果。

VOCs 收集處理裝置整體甲苯質量濃度分布情況如圖13 所示。流道行程檢測軌跡如圖14 所示。VOCs收集處理裝置流程中的甲苯質量濃度分布曲線如圖15所示。

圖13 VOCs 收集處理裝置整體甲苯質量濃度分布情況

圖14 流道行程檢測軌跡

圖15 VOCs 收集處理裝置流程中的甲苯質量濃度分布曲線

結合分析甲苯質量濃度分布曲線和fluent 仿真云圖可以看出，VOCs 收集處理裝置在收集有害氣體的過程中，經過第一道管路時，云圖顏色逐漸單一化且曲線的波動起伏趨于平緩，甲苯質量濃度分布已經呈現穩定趨勢，再經過過濾緩沖裝置之后，質量濃度分布的趨勢更加穩定。

在質量濃度分布均勻的前提下，仍需要考慮速度流速情況，流速和局部流速的均勻程度都會影響到裝置對有害氣體的收集與處理。

3.2 速度分布

VOCs 收集處理裝置整體速度矢量分布情況如圖16 所示。

圖16 VOCs 收集處理裝置整體速度矢量分布情況

從速度流場圖可以直接看出，由于橫截面積變化的原因，混合氣體在過濾裝置和緩沖裝置中流速慢，且總體呈現比較均勻的分布，有利于有害氣體在各個設備中的催化氧化或吸附沉淀。同時在多孔介質中（模擬吸附床和催化床）流速分布也相對比較均勻。

在考慮質量濃度、速度的情況下，流場流線的情況會影響裝置整體的流通性能和經濟性。良好的流線情況對整機裝置的能耗有直接影響，良好的流線情況會提高裝置整體的經濟效應。

3.3 流線情況

VOCs收集處理裝置整體流線分布情況如圖17所示。

圖17 VOCs 收集處理裝置整體流線分布情況

從流線分布圖可知，在油漆間內，空氣存在大量的渦流情況以及油漆間與管道處截面變化影響了流線的流暢性。同時在管道拐彎處，多孔介質前端的流線數目均出現下降，說明這些節點比較嚴重地影響了流場流道的流暢性，會大幅度增加流動阻力。過濾緩沖以及催化床的作用不可或缺，而這勢必會影響到流場的流暢性。這就需要考慮流場流暢性以及處理裝置布置的合理性，對于這個問題留作后續研究與開發。

4 結論

本文采用數值模擬的方法，對VOCs 收集處理裝置進行流場建模分析，得出以下結論：①整個裝置在對VOCs 收集處理時，VOCs 在整個裝置內經過一系列的緩沖、吸附、催化時，質量濃度分布均勻，為保證VOCs 處理效果提供了良好的前提條件；②但是在質量濃度分布均勻的同時，因為增加了過濾緩沖等裝置，也相應犧牲了流場一定的暢通性，在經過多孔區域時，流場的暢通性明顯下降；③在過濾緩沖以及催化裝置處適當增加其橫截面積，會更有助于流道的暢通性，并減緩流體速度。