改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性.pdf
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1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性陆诗建1,2,3,刘苗苗1,2,3,杨菲1,2,3,张俊杰4,陈思铭1,2,3,刘玲1,2,3,康国俊1,2,3,李清方5(1 中国矿业大学碳中和研究院,江苏 徐州 221116;2 中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室,江苏 徐州 221008;3 中国矿业大学化工学院,江苏 徐州 221116;4 中国石油大学(华东)新能源学院,山东 青岛 266580;5 中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 2
2、57026)摘要:基于Fluent软件,采用层流模型、VOF模型及非稳态类型,模拟基准湿壁塔和改良型湿壁塔的气液两相流场,分析稳定液膜边界气液两相流场对传质过程的影响。结果表明,随液相入口流量的增大,在稳定液膜边界气相涡旋运动逐渐增强,气液两相混合程度加强,利于改良型湿壁塔的气液两相传质。在一定气相入口流量范围内,随气相入口流量的增大,液膜界面涡旋运动增强,气液两相混合程度加强,利于改良型湿壁塔的气液两相传质;气相入口流量不宜过大,否则导致液相不能沿湿壁柱向下流动形成稳定的液膜,不利于传质。改良型湿壁塔的变径结构和气体挡板均利于气液两相混合,利于传质。改良型湿壁塔的传质过程在液膜边界发生,随液
3、相入口流量的增大液膜厚度增加,液膜表面积增大,有效传质面积增大,利于气液两相传质。通过对比基准湿壁塔和改良型湿壁塔的气液两相流场,改良型湿壁塔内气液两相混合程度加强,更利于传质。关键词:基准湿壁塔;改良型湿壁塔;液膜;速度场;气体挡板中图分类号:X701 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(2023)07-3457-11Gas-liquid two-phase flow and mass transfer characteristics in an improved CO2 wet-wall columnLU Shijian1,2,3,LIU Miaomiao1,2,3,YANG F
4、ei1,2,3,ZHANG Junjie4,CHEN Siming1,2,3,LIU Ling1,2,3,KANG Guojun1,2,3,LI Qingfang5(1 Institute of Carbon Neutralization,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China;2 Jiangsu Key Laboratory of Coal-based Greenhouse Gas Control and Utilization,China University of Mining and T
5、echnology,Xuzhou 221008,Jiangsu,China;3 School of Chemical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China;4 New Energy College,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China;5 Sinopec Petroleum Engineering Design Company Limited,Dongying 25
6、7026,Shandong,China)Abstract:Fluent software is used to simulate gas-liquid two-phase flow field of benchmark and improved wet-wall tower by laminar flow model,VOF model and unsteady type.The influence of gas-liquid two-phase flow field on the mass transfer process was analyzed qualitatively.The res
7、ults showed that with the increase of liquid inlet flow rate,the vortex motion of gas phase at the stable liquid film boundary was gradually enhanced,and the mixing degree of gas and liquid phase was strengthened,which 研究开发DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1372收稿日期:2022-07-21;修改稿日期:2023-04-03。基金项目:
8、国家重点研发计划(2022YFE0115800);江苏省科技厅科技项目碳达峰碳中和科技创新专项资金项目(BE2022613);江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室创新能力建设专项(2020ZDZZ01A)。第一作者及通信作者:陆诗建(1984),男,博士,研究员,研究方向为CCUS与废气治理技术。E-mail:。引用本文:陆诗建,刘苗苗,杨菲,等.改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性J.化工进展,2023,42(7):3457-3467.Citation:LU Shijian,LIU Miaomiao,YANG Fei,et al.Gas-liquid two-phase f
9、low and mass transfer characteristics in an improved CO2 wet-wall columnJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3457-化工进展,2023,42(7)was conducive to the improved gas-liquid mass transfer in the wet-wall column.In a certain range of gas inlet flow,with the increase of gas inlet flow,t
10、he vortex movement of liquid film interface was enhanced,and the mixing degree of gas-liquid two phases was strengthened,which was beneficial to the gas-liquid two mass transfer of the improved wet-wall tower.The gas phase inlet flow should not be too large,otherwise the liquid phase cannot flow dow
11、n along the wet pilaster to form a stable liquid film,which was not conducive to mass transfer.The reduced diameter structure and gas baffle of the modified wet-wall tower were conducive to gas-liquid mixing and mass transfer.The mass transfer process of the improved wet-wall column occurs at the li
12、quid film boundary.With the increase of liquid inlet flow,the liquid film thickness,the liquid film surface area,and the effective mass transfer area all increased,which was conducive to the transfer of gas and liquid.By comparing the gas-liquid two-phase flow field of the base wet-wall column with
13、that of the improved wet-wall column,the mixing degree of gas-liquid two phases in the improved wet-wall column was strengthened,which was more conducive to mass transfer.Keywords:datum wet-wall tower;improved wet-wall tower;liquid membrane;velocity field;gas damper湿壁塔由于其优势显著,很早之前就被科学家们用于气液传质机理中的研究工
14、作。其中,湿壁塔的液相是以薄膜状沿着垂直圆管中的内壁流下,同时与进入塔中的气相进行传热和传质的过程1。由于其具有传质效果好、气液接触面积已知等特点2,湿壁塔常被用于吸收、蒸发、蒸馏等过程的研究。一般情况下3m以下的湿壁塔被应用于气液反应的探究过程。根据化学反应工程中的反应动力学和流体力学中的理论进行分析,湿壁塔中液体的流动是用来增强气液两相的混合和加强质量传递的过程、增加塔内气液两相的接触面积、增大两相接触的时间,以减小湿壁塔内部的阻力3-5。湿壁塔中流体状态对于塔内的气液接触会有一定的影响,例如湿壁塔中的流体分布不均匀使得塔内的传质效率降低,所以湿壁塔内的传质规律研究十分重要6。于松华7在湿
15、壁塔中对相变吸收剂吸收CO2的气液传质规律进行分析,结果表明吸收过程中加速作用是因为液膜内反应物浓度梯度发生了改变,传质阻力由主要受气膜影响变成主要受液膜影响。Wang等8使用湿壁塔研究了相变吸收剂吸收CO2的反应动力学,动力学模型表明CO2吸收过程主要受液膜扩散过程的影响。Fang等9在湿壁塔中研究了氨基酸盐吸收CO2的气液传质特性,结果表明气相传质系数不仅取决于湿壁塔的流体动力学条件,还取决于装置内的总压力。Wang等10采用纳米颗粒来增强CO2吸收过程的气液传质系数,并研究了纳米颗粒对湿壁塔中液相传质系数的增强作用机制。研究表明,发现液相传质系数的增加是由于液相中布朗运动引起的粒子布朗运
16、动和微对流运动所致。流体力学模拟软件不断发展,其数值模拟过程相对来说比较精确,研究者们也更加倾向于使用模拟软件对于工艺工程进行研究,因为通过工艺数值模拟软件可以降低实验次数。CFD模拟吸收塔中气液传质规律可以进一步提高吸收塔中的气液传质效率,同时数值模拟方法能够比较准确地反映吸收塔中的流动情况和对流动机理进行研究和分析11-13。目前,国内外学者对SO2的吸收模拟过程进行了大量研究14,但对CO2在吸收塔的吸收模拟过程研究却很少,本文主要对CO2在吸收塔中的吸收过程进行数值模拟。Raynal等15在探究CO2吸收塔的最优设计中采用CFD模拟湿壁塔,如图1所示;Iso等16在探究湿壁塔内气液两相
17、的流动模拟中采用Fluent模拟湿壁塔,如图2所示;Raynal等17在探究CO2的捕集中采用的Fluent模拟湿壁塔内流场;Mshewa等18发明了降膜式湿壁塔,增强了降膜式湿壁塔的实用性;Pacheco等19-20通过一系列实验研究对降膜式湿壁塔进行了进一步的修改完善;Dang等21也给出了更多关于降膜式湿壁塔的修改细节。Qian等22为改善液体和气体的分布,对湿壁塔结构进行了如下改进:气体不是直接进入吸收室,而是通过柱底孔径为20m的环形多孔金属托盘流动;液体不通过传统的液体分布器,而是在垂直抛光的吸收柱上进行溢出分布;吸收柱位于两根同心圆玻璃管的中心,水在管之间循环以保持吸收温度恒定;
18、吸收柱固定在插座上,便于吸收柱调整高度以达到实验要求。Rodriguez-Flores 等22-23使用具有膜促进剂 34582023年7月陆诗建等:改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性(薄的不锈钢编织物)的湿壁塔进行CO2吸收实验,结果表明膜促进剂可以促进稳定液膜的形成以及沿柱内壁适宜的液体分布。本文根据流体力学定律,运用了专业的软件Gambit和Fluent软件进行二维模型和三维模型的模拟,通过PISO算法和层流模型,进一步确定了边界条件,数值的基准和改良后的湿壁塔中的内流场,建立了气液两相的流动方程,定性地分析了气液两相的流场对于传质过程的影响,同时判定了改良后的湿壁塔是否更加
19、有利于传质过程的分析,此项研究为实验的进一步开展提供了理论依据和实验依据。1 湿壁塔内数值模拟的基本设置1.1 控制方程和计算模型1.1.1 流体动力学控制方程控制方程24-25是质量守恒定律、动量守恒定律与能量守恒定律的数学描述,这些方程中变量各不相同,它们体现了在单位体积单位时间内物理量的守恒性质,具有统一的数学表达形式。用表示通用变量,各控制方程均可以表示为式(1)。()t+div(u)=div(grad)+S(1)式(1)的展开形式为式(2)。()t+(u)x+(v)y+(w)z=x()x+y()y+z()z+S(2)式(2)中,表示通用变量,可以是u、v、w、T等求解变量;是广义扩散
20、系数;S是广义源项,式(1)中各项依次分别是瞬态项、对流项、扩散项及源项。、和S对于特定的方程具有特定的形式,各特定方程和各个符号的对应关系如表1所示。其中组分方程适用于气体扩散与有机胺溶液反应过程。1.1.2 计算模型液相H2O入口的雷诺数ReL计算如式(3)所示。ReL=dev(3)式中,v为截面的平均速度,m/s;de为特征长度,m;为流体的动力黏度,Pas。根据基准湿壁塔和改良型湿壁塔设计要求,液体 循 环 量 控 制 在 3000mL/min,当 量 直 径 de为10mm。基准湿壁塔和改良型湿壁塔液相H2O入口参数和雷诺数如表2所示。通过计算可知为层流运动,Fluent 中选择的V
21、iscous Model(黏 度 模 型)为 Laminar(层 流模型)。图1CO2吸收塔模拟示意图图2湿壁塔模拟示意图表2湿壁塔液相H2O入口参数表体积流量VL/mLmin-173598012251470171419592204244926942939体积流量VL/m3s-10.00001230.00001630.00002040.00002450.00002860.00003270.00003670.00004080.00004490.0000490入口速度vL/ms-10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6雷诺数ReL149.73199.64249.55
22、299.46349.37399.28449.19499.1549.01598.92表1通用控制方程中各符号的具体形式方程连续方程动量方程组分方程符号1uici0DsS0-pxi+SiSi 化工进展,2023,42(7)1.2 几何建模和网格划分改良型湿壁塔的总体结构示意如图3所示。这是一种新型气体吸收降膜反应器,是通过改进基准湿壁塔获得改良型湿壁塔。其中气体分布采用偏心方式和扰流叶片使得气流更加分布均匀,液体采用旋流分布方式形成平稳均匀液膜。气体自塔顶进入经气体分布器后形成均匀稳定的气流沿湿壁柱外表面向上运动;液体自湿壁柱内腔底部进入,由湿壁柱顶部溢出,经液体分布器分布后形成稳定的液膜沿湿壁柱
23、表面流下,与气体进行逆流接触。热保温方式采用水浴夹套;湿壁柱外壁采用超微喷砂处理改善对水相的润湿性。在基准湿壁塔的基础上改进获得改良型湿壁塔,与基准湿壁塔主要的结构区别是气体挡板结构和气体入口位置的不同,改良型湿壁塔更有利于气相向上流动,利于气液两相混合,减少气相在气体挡板位置处速度突变的可能性,利于气液两相在逆流中传质。在Gambit软件中分别进行改良型湿壁塔二维和全尺寸空间的三维实体建模及网格划分,见图4。改良型湿壁塔按块划分网格,由结构网格和非结构网格构成。在几何边界简单的区域采用map网格类型,几何边界复杂的区域采用pave网格类型,网格单元均采用pave。由于改良型湿壁塔内液膜很薄,
24、则在该液膜区域采用局部加密处理。2 改良型湿壁塔气液两相流场的分析改良型湿壁塔内部气液两相流场已通过模拟数值方法得到,对改良型湿壁塔内部气液两相流场的气液两相的速度分布规律、压力分布规律以及液膜变化规律进行分析。2.1 速度分布规律2.1.1 速度场液体在改良型湿壁塔内的流动状态26,可分为三个区域:进口附近加速段;稳定段;下部波纹区。塔下部波纹区的流动状态比较复杂,缺乏理论分析,而且对于短湿壁塔,可以不予考虑。下面主要以液相H2O入口速度L=0.6m/s,气相CO2入口速度g=0.5m/s的流动状态为研究对象分析速度场。图5为液相H2O入口速度L=0.6m/s、气相CO2入口速度g=0.5m
25、/s时改良型湿壁塔的速度矢量图。从图5可知,液相H2O在湿壁柱表面是层流;气相图4改良型湿壁塔几何模型和网格划分图3改良型湿壁塔结构图1上法兰;2垫片;3螺栓孔;4活套法兰;5玻璃夹套;6导热介质进口;7湿壁塔下盖;8气体环腔;9气体挡板;10偏心气孔;11进气孔;12排液口;13填料函;14湿壁柱;15导热介质出口;16螺旋下料布膜;17顶帽图5改良型湿壁塔的速度矢量图 34602023年7月陆诗建等:改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性CO2从气相入口进入,流经气体挡板,有涡旋运动,以层流形式从气相出口流出。在气体挡板区域气相CO2速度较大,速度最大值约是气相CO2入口速度的2倍
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- 改良 CO_ 282 29 湿壁塔内气液 两相 流动 规律 传质 特性
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