改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性.pdf

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 257026）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 Fei1，2，3，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 Technology,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 257026,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 results 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：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 flow 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,the 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 down 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 liquid 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 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；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Viscous 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ReL149.73199.64249.55299.46349.37399.28449.19499.1549.01598.92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，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/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，气液两相接触时间减小；远离气体挡板区域气相 CO2速度减小，气液两相接触时间增大。在稳定段，液相形成液膜以一定速度沿湿壁柱流下。现主要分析稳定段的速度场，气液混合两相的速度可以分解为柱坐标下的轴向速度和径向速度两个分量，为了对改良型湿壁塔内部速度场进行深入分析，下面对这两个分量进行单独分析。（1）轴向速度轴向速度是改良型湿壁塔速度场重要的一个分量，轴向速度使液体沿塔壁方向流动，促使形成稳定的液膜，为进一步传质奠定基础。图6为液相H2O 入口速度 L=0.6m/s、气相 CO2入口速度 g=0.5m/s时改良型湿壁塔混合相的轴向速度随液膜深度的变化曲线图，x 为液膜深度。y=60mm、80mm、100mm、120mm 系列分别表示 y=60mm、80mm、100mm、120mm截面的轴向速度随液膜深度的变化。y=60mm截面表示在气体挡板区域，y=80mm、100mm、120mm截面表示依次远离气体挡板区域。从图6可以看出，不同截面之间轴向速度的变化规律大致相同，轴向速度为负值，沿y轴负方向，沿湿壁柱方向向下，轴向速度随液膜深度增大而先增大后减小，轴向速度减小是由于气液两相逆流的结果，轴向速度减小处位于液膜边界位置。随着塔截面的升高，各截面轴向速度的最大值减小。y=60mm、80mm截面，轴向速度波动较大，轴向速度的最大值较其他截面大，这两个截面液膜较薄，这是由于气体挡板处气相流速较大的原因，减少了气液两相接触时间；y=100mm、120mm截面，轴向速度在液膜边界处波动较小，这两个截面液膜较厚，表明气液两相流场稳定，气液两相接触时间增大。所以就轴向速度分布而言，改良型湿壁塔在有效液膜高度内随截面的升高气液两相接触时间增大，利于传质。（2）径向速度径向速度是改良型湿壁塔内速度场另一个重要的分量，径向速度促进气液两相向塔壁方向流动，能够加速气液两相在液膜内混合。图7为液相H2O入口速度L=0.6m/s、气相CO2入口速度g=0.5m/s时改良型湿壁塔混合相的径向速度随液膜深度的变化曲线图，x为液膜深度。y=60mm、80mm、100mm、120mm 系列分别表示 y=60mm、80mm、100mm、120mm截面混合相的径向速度随液膜深度的变化。从图7可以看出，不同截面之间在液膜内部区域径向速度均趋于0，这是由于气液两相为层流。不同截面之间径向速度随液膜深度变化趋势相同，为负值，沿x轴负方向，径向速度随液膜深度的增大而增大，它促使气液两相向塔壁方向运动，加速气液两相在液膜内混合，其作用范围虽小，但对气液两相混合却起着重要的作用。所以就径向速度分布而言，改良型湿壁塔在有效液膜高度内随截面的升高气液两相混合程度增强。2.1.2 液相入口流量对速度场的影响改良型湿壁塔的结构和气相入口流量确定，液相入口流量不同，则气液两相流的速度场不同，现对此操作参数对速度场的影响进行研究分析。根据改良型湿壁塔设计要求，液体循环量控制在3000mL/min，改 良 型 湿 壁 塔 液 相 入 口 流 量 为980mL/min、1959mL/min、2939mL/min时速度场对应的液相入口速度为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s。图6改良型湿壁塔轴向速度分布图图7改良型湿壁塔径向速度分布图 化工进展，2023，42（7）图 8(a)、(b)是液相 H2O 入口速度 L=0.6m/s、0.4m/s及气相CO2入口速度g=0.5m/s时改良型湿壁塔的速度矢量图。图8(c)是液相H2O入口速度L=0.2m/s、气相CO2入口速度g=0.5m/s时改良型湿壁塔的速度矢量图。从图8可知，液相H2O沿湿壁柱层流流动；气相CO2从气相入口进入，流经气体挡板，以层流形式从气相出口流出。气相入口速度不变，液相入口速度分别为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s时，均有涡旋运动，而且随着液相入口速度的增大，在远离气体挡板区域气相涡旋运动增强，在液膜边界处气液两相混合增强。这是由于轴向应力对液膜的剪切作用增大，使得液膜表面的连续液体破碎成液滴，继而液滴与气相充分混合，加强湿壁塔吸收作用。2.1.3 气相入口流量对速度场的影响改良型湿壁塔的结构和液相入口流量确定，气相入口速度不同，则气液两相流的速度场不同，现对此操作参数对速度场的影响进行研究分析。下面比较改良型湿壁塔气相入口速度为0.1m/s、0.5m/s、1m/s、5m/s时速度场。图9是液相H2O入口速度L=0.6m/s及气相CO2入口速度g=0.1m/s、0.5m/s、1m/s、5m/s时改良型湿壁塔的速度矢量图。从图9可知，在L=0.6m/s、g=0.1m/s时，在远离气体挡板区域，气相以较小的速度层流流动，气液两相混合程度较弱；在L=0.6m/s、g=0.5m/s时，在远离气体挡板区域，有涡旋运动，气液两相有效接触；在L=0.6m/s、g=1m/s时，在远离气体挡板区域，有涡旋运动，液相沿湿壁柱向下流动形成的液膜较薄，这是由于气相流速较大造成液相返混的原因；在L=0.6m/s、g=5m/s时，在远离气体挡板区域，液膜几乎消失，这是由于气相流速过大导致液相不能沿湿壁柱向下流动形成稳定的液膜，不利于改良型湿壁塔传质。液相入口速度不变，在一定的气相入口速度范围内，随气相入口速度的增大，气液两相在远离气体挡板区域涡旋运动增强，气液两相混合程度增强，利于传质。气相入口速度不应过大，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。2.1.4 湿壁塔变径结构对速度场的影响改良型湿壁塔的液相和气相入口流量确定，若无变径结构，则气液两相流的速度场不同，现对此结构参数对速度场的影响进行研究分析。图10是液相H2O入口速度L=0.6m/s、气相CO2入口速度g=0.5m/s时无变径结构的改良型湿壁塔的速度矢量图。对比图10和图8可知，在远离气体挡板区域，有变径结构的改良型湿壁塔涡旋运动较强，气液两相接触更充分，混合程度更强，更利于传质。(c)L=0.2m/s，g=0.5m/s图8不同液相入口流量下的速度矢量图 34622023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图10无变径结构速度矢量图（L=0.6m/s，g=0.5m/s）图9不同气相入口流量下的速度矢量图 化工进展，2023，42（7）2.1.5 气体挡板对速度场的影响气体挡板的结构影响了改良型湿壁塔内部气液两相流动状态。改良型湿壁塔的液相和气相入口流量确定，若无气体挡板结构，则气液两相流的速度场不同，对此结构参数对速度场的影响进行研究分析。图11是液相H2O入口速度L=0.6m/s、气相CO2入口速度g=0.5m/s时无气体挡板结构的改良型湿壁塔的速度矢量图。对比图11和图8可知，无气体挡板的改良型湿壁塔在远离气体挡板的液膜边界处无涡旋运动，气液两相层流逆流接触，不利于气液两相充分混合，不利于传质；有气体挡板的改良型湿壁塔涡旋运动较强，气液两相接触更充分，混合程度更强，更利于传质。2.2 气液两相分布规律图12是L=0.6m/s和g=0.5m/s、L=0.4m/s和g=0.5m/s、L=0.6m/s 和 g=1m/s、L=0.4m/s 和 g=1m/s时改良型湿壁塔的H2O体积分数分布图。从图 12 可知，液相 H2O 在进口附近加速段，形成凸起的曲面，这是由于液体表面张力的作用，加速段很短。同样，据文献所载，这一段距离很短。在稳定段，液相形成稳定的液膜以一定速度沿湿壁柱壁流下，通过文献调研，液相沿湿壁柱形成稳定的液膜。2.3 压力分布规律图13是液相H2O入口速度L=0.6m/s、气相CO2入口速度 g=0.5m/s 时改良型湿壁塔的压力云图。由图13可知，压降为0。这是由于湿壁塔液膜较薄，成膜所需的静压液位较低，压力场变化较小。2.4 液膜分析2.4.1 液膜表面积湿壁塔具有下列特点：气膜和液膜之间互不渗透，仅在表面进行传质，借助气流通过降膜时在液膜表面产生特殊的波动所造成不稳定的分子扩散、进行高效的传质，可以允许较高的气速通过，设备阻力降较小，液膜较薄。液膜若分布不均匀即会导致液膜在湿壁柱表面厚度不一，受流速等因素影响发生测流或撕裂。湿壁塔的有效传质表面积与液膜的表面积密切相关，研究湿壁塔内液膜表面积对提高湿壁塔的传质能力有重要意义。有效液膜表面积F由式(4)计算。F=(d+2)he(4)根据改良型湿壁塔的设计参数，d=25mm。由表2可知，改良型湿壁塔的液相雷诺数均在40ReL1200范围内，属于拟层流区。在拟层流区内（40ReL1200），根据流动特性的变化，Kapitsa提出了液膜厚度的修正方程27，则稳定段的理论液膜厚度t由式(5)计算。t=()2.4VL2g1 3(5)液膜厚度理论计算式(5)已得到实验验证，在拟层流区内湿壁塔的液膜厚度的实验值与理论计算值符合较好，则湿壁塔的液膜厚度的理论计算值可作为分析依据。查看Fluent相图体积分数分布规律，分析得在不同的液相流速下液膜的厚度s。在湿壁柱外形成的有效理论液膜表面积Ft和有效模拟液膜表面积Fs由式(6)和式(7)计算。Ft=(d+2t)he(6)Fs=(d+2s)he(7)液膜表面积误差eF由式(8)计算。eF=Fs-FtFt 100%(8)改良型湿壁塔的降液膜的有效高度 he2=150-44-12=94mm。2.4.2 液相入口流量对液膜的影响根据式(5)、式(6)计算得改良型湿壁塔的理论降液膜厚度t2和表面积Ft2，查看Fluent相图体积分数分布规律，分析在不同的液相流速下改良型湿壁图11无气体挡板速度矢量图（L=0.6m/s，g=0.5m/s）34642023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塔的模拟液膜厚度s2和表面积Fs2，液膜厚度误差为e2，液膜表面积误差为eF2。图14为改良型湿壁塔的理论和模拟液膜厚度随液相入口体积流量的变化曲线图，图15为改良型湿壁塔的理论和模拟液膜表面积随液相入口体积流量的变化曲线图。由图14可知，随液相入口体积流量VL的增大，理论和模拟液膜厚度均增大，且理论液膜厚度和模拟液膜厚度增长趋势符合较好。由图15可知，随液相入口体积流量VL的增大，理论和模拟液膜表面积均增大，且理论液膜表面积和模拟液膜表面积增长趋势较符合。通过将改良型湿壁塔的理论和模拟液膜厚度及表面积进行对比分析，改良型湿壁塔的理论和模拟液膜厚度及表面积均分别较符合。湿壁塔的传质仅在液膜表面进行，液膜参数的变化可反映气液两相传质结果的变化。在允许的液相入口体积流量变化范围内，液膜表面积的增大表明液膜有效液膜传质表面积增大，图12改良型湿壁塔相图 化工进展，2023，42（7）气液两相传质增强，则理论和模拟液膜表面积随液相入口体积流量的增大而增大，均表明液膜有效传质表面积增大，气液两相传质增强。所以，在允许的液相入口体积流量变化范围内，液相入口体积流量越大，液膜表面积越大，改良型湿壁塔液膜有效传质表面积越大，越利于气液两相传质。3 结论选用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，定性分析稳定液膜边界气液两相流场对传质过程的影响，得出主要结论如下。（1）改良型湿壁塔液膜厚度的理论计算结果和二维模型模拟结果及三维模型模拟结果符合得较好，可以判断选用的几何模型及数值计算方法能较好预测改良型湿壁塔的流场。（2）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。（3）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。参考文献1 柳海刚,彭健,叶世超,等.降膜式湿壁塔氨法烟气脱硫实验研究J.环境科学与技术,2011,34(10):178-181.LIU Haigang,PENG Jian,YE Shichao,et al.Experimental study on flue gas desulphurization system of wet falling-film tower by ammonia methodJ.Environmental Science&Technology,2011,34(10):178-181.2 彭健,杨振,张登峰.并流降膜式多管湿壁塔的质量传递特性J.当代化工,2017,46(3):550-552.PENG Jian,YANG Zhen,ZHANG Dengfeng.Mass transfer characteristics of parallel-flow falling film multitubular towerJ.Contemporary Chemical Industry,2017,46(3):550-552.3 郭瑞堂,高翔,丁红蕾,等.湿法烟气脱硫喷淋塔内流场的优化J.中国电机工程学报,2008,28(29):70-77.GUO Ruitang,GAO Xiang,DING Honglei,et al.Study on flow field optimization in wet flue gas desulfurization spray scrubberJ.Proceedings of the CSEE,2008,28(29):70-77.4 彭健,叶世超,柳海刚,等.湿壁塔氨法烟气脱硫的非平衡模型J.化学工程,2013,41(8):48-52.PENG Jian,YE Shichao,LIU Haigang,et al.Non-equilibrium stage model of ammonia-based flue gas desulphurization process with wetted-wall columnJ.Chemical Engineering,2013,41(8):48-52.5 彭健,叶世超,柳海刚,等.湿壁塔氨法烟气脱硫模型J.高校化学工程学报,2011,25(6):1073-1077.PENG Jian,YE Shichao,LIU Haigang,et al.Modeling of ammonia-based flue gas desulphurization process with wetted-wall columnJ.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2011,25(6):1073-1077.6 陆锡满.新型高效均流填料塔的应用机理研究D.西安:西安石油图13改良型湿壁塔压力云图图14改良型湿壁塔的理论和模拟液膜厚度对比曲线图15改良型湿壁塔的理论和模拟液膜表面积对比曲线 34662023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大学,2010.LU Ximan.Study on application mechanism of a new type efficient symmetrical-flow packed towerD.Xi an:Xi an Shiyou University,2010.7 于松华.湿壁塔中新型相变溶剂吸收CO2反应动力学研究D.北京:华北电力大学,2017.YU Songhua.Kinetics of CO2 absorption by phase-change absorbents in wetted wall columnD.Beijing:North China Electric Power University,2017.8 WANG Lidong,AN Shanlong,LI Qiangwei,et al.Phase change behavior and kinetics of CO2 absorption into DMBA/DEEA solution in a wetted-wall columnJ.Chemical Engineering Journal,2017,314:681-687.9 FANG Mengxiang,ZHOU Xuping,XIANG Qunyang,et al.Kinetics of CO2 absorption in aqueous potassium L-prolinate solutions at elevated total pressureJ.Energy Procedia,2015,75:2293-2298.10 WANG Tao,YU Wei,FANG Mengxiang,et al.Wetted-wall column study on CO2 absorption kinetics enhancement by additive of nanoparticlesJ.Greenhouse Gases:Science and Technology,2015,5(5):682-694.11 刘晓燕,杨雪峰,张相,等.基于数值模拟的湿法脱硫塔内增效技术比较研究C/中国环境科学学会第二十二届大气污染防治技术研讨会论文集.太原,2018:285-289.12 顾永正,李旭,马士庆.脱硫系统吸收塔内部流场数值模拟J.热力发电,2013,42(3):31-34.GU Yongzheng,LI Xu,MA Shiqing.Numerical simulation on internal flow field of flue gas desulfurization absorberJ.Thermal Power Generation,2013,42(3):31-34.13 马双忱,吕玉坤,路通畅,等.填料塔中氨水脱除模拟烟气中C