自循环式薄膜蒸发器流场特性数值模拟

杨凌波;李庆生

【摘 要】自循环式薄膜蒸发器是制造高浓度碱系统中的重要设备,其性能对产品的质量有重要影响.利用软件对蒸发器内流体的二维两相流场进行数值模拟,湍流模型采用双方程湍流模型,气液两相流模型运用了模型中的几何重建方案,选择算法进行计算,分析蒸发器内流体流动的速度场、压力场和温度场的分布情况,同时分析比较了料液在蒸发器内所占的体积百分比的变化对蒸发器内流体流动状态的影响.模拟结果对自循环式薄膜蒸发器的运行具有一定的理论指导意义.

【期刊名称】《工业安全与环保》

【年(卷),期】2010(036)012

【总页数】3页(P19-21)

【关键词】薄膜蒸发器;气液两相流;数值模拟

【作 者】杨凌波;李庆生

【作者单位】南京工业大学机械与动力学院,南京,210009;南京工业大学机械与动力学院,南京,210009

【正文语种】中 文

烧碱又称苛性钠,是重要的无机化工原料。烧碱产品有固碱和液碱两种形式,相对于液碱,固碱拥有更多的用途范围,同时也便于运输和贮存,因此拥有更广泛的市场[1]。外热式自循环蒸发器(以下简称蒸发器)是一种烧碱蒸发设备,可以将50%烧碱溶液浓缩至更高的浓度,有利于制造固碱的后续过程。

烧碱的制造方法通常有化学法(又称苛化法)和电解法,而后通过膜式蒸发将其质量分数增大到50%左右,随后通过自循环式薄膜蒸发器继续将其浓缩至更高浓度。用于片碱生产的蒸发设备结构见图1[2]。进料口在蒸发室的上部,出料口在蒸发器底部,在分离室上部接抽真空口,沸腾室上部接二次蒸汽出口。

料液在蒸发室中被加热,升温后体积膨胀,随后升至沸腾室中,此时因为静压的降低而沸腾汽化,产生气泡,气泡通过二次蒸汽出口循环利用,另一部分随着料液通过连接管进入到蒸发室中,由于空间突然扩大导致流体流速降低,由于压力降低,气液混合物放出来夹带的气体,同时循环碱液在蒸发室中会产生少量的热损失,导致碱液在蒸发室及循环管中料液温度下降、密度增大。这样在沸腾室的气液混合物和蒸发室中的未沸腾料液间产生的密度差形成了外热式自循环蒸发器的循环推动力[3]。

本文利用Fluem 6.2对自循环式蒸发器内的烧碱进行二维流体模拟分析,分析在蒸发过程中流体的流动状态,以及在不同液面高度下流速的变化,其结果对现实生产过程具有一定的指导作用。

2.1 物理模型

按照实际的蒸发器尺寸进行建模。本文采用的是二维模拟,由于换热管数目较多,每根管子的流动换热情况基本相同,因此简化为一根管子来模拟换热管内流体的流动换热过程。

2.2 数学模型

2.2.1 控制方程

一般的黏性流体流动均遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[4],流体流动满足以下基本方程。

(1)连续方程:

该方程是质量守恒总的形式,源项 Sm是稀疏相增加到连续相的质量或者质量源项。

式中,ρ,u及p分别是密度、速度和流体静压;ρgi,Fi是重力体积力和以及外部作用力(如离散相中的相间相互作用)所产生的体力,Fi还可以包括其他模型源项或者用户自定义源项,τij是黏性应力张量,定义为黏度τ的函数:(2)动量方程:

(3)能量方程:

方程右边的前三项分别是导热项、组分扩散项和黏性耗散项;Sh是包括化学反应热和其他体积热源的源项,keff是有效导热函数,其值等于导热系数和湍流导热系数之和,后者是

由采用的湍流模型计算得出的;Jj′是组分j′的扩散通量;E和T分别为总能和流体温度,其中,总能及流体焓值 h的关系式为

2.2.2 湍流模型

在实际过程中,气液两相流动是复杂的湍流状态,湍流的存在影响整个流场的流动状态。在用Fluent 6.2进行模拟的过程中,常用的湍流模型就是标准的 k-ε模型。然而标准的 k-ε模型对于湍流流动的各项异性无法预知,而RNG模型针对强旋流、浮力流动、大曲率流动以及受外力场作用较强的一类流动问题对该模型进行了修正[5],通过Navier-Stokes方程得到湍流控制方程中的相关常数,较 k-ε标准方程,该方程能够更好地解决旋流场的计算问题,获得更为准确的计算结果。本文采用的就是RNTk-ε的双方程湍流模型[6]:式中,k为湍动能,m2/s2;t为时间,s;ρ为流体密度,kg/m3;μ为动力黏性系数,Pa·s;μt为湍流黏性系数,Pa·s;ε为湍流耗散率,m2/s3;αk、αε分别为 k和ε的普朗特常数,αε=αk=1.39;Gk为由平均速度梯度产生的湍流动能产生项,Pa/s;G1ε、G2ε为模型常数,G1ε=1.42,G2ε=1.68;R是平均应变速率对ε的影响,Pa/s2;x为坐标系中x轴方向;j取1,2。

气液两相流的模拟采用VOF模型[7](流体体积函数法),它依靠两种或多种流体之间没有互相穿插的理论,获得一种或者多种互不相融流体间的交界面。通过计算单位的相体积分率,在每个控制容积内,所有相的体积分率之和为1,所有变量及其属性的区域被各项共享并且代表了容积平均值。本文的模型采用几何重建方案[8](Geo-Reconstruction),该方案先是根据单元信息计算出线性面的位置,而后通过使用计算出的线性界面描绘各面上的法向、切向速度分布信息,可以计算出穿过每个面的流体的水平对流量,从而计算出每个单元的体积分数。

2.2.3 沸腾模型

蒸发室内液体的蒸发是沸腾过程,液体汽化成气体,气体冷凝变为液体,从而二者之间有质量传递和热量传递。因此必须建立适当的沸腾模型来对蒸发室内流体的流动沸腾过程进行模拟[9]。流体的沸腾传热过程满足下列方程:

(1)连续方程:

液相向气相的质量传递:

式中:rv、rl为松弛因子;αl、αv为液、气体积分数;Tsat为液体饱和温度。

(2)能量方程:

在使用Fluent 6.2进行模拟分析的过程中,其连续方程没有考虑到沸腾相变气液间的质量传递过程,因此在模拟过程中需要使用用户自定义函数(又称UDF函数)来描述该过程。该函数是以Fluent的网格拓扑为基础,采用C语言进行编写,使用宏DEFINE定义,通过Fluent进行连接编译,来提高计算的准确性和精度。

3.1 模拟过程

模拟采用二维双精度Fluent程序,湍流模型选择RNG双方程湍流模型,多相流模型采用VOF几何重建方案,导入UDF函数,采用PISO算法对整个蒸发器进行数值模拟计算。其中,为了更切合实际,选用烧碱溶液作为分析的物质,相定义中,选择蒸气相为基本相,液相

为第二相,边界条件的设定:入口和出口压力均取41 325 Pa(绝压);加热管壁是温度边界,使用0.6 MPa饱和温度下的加热蒸汽在管外对流体进行加热,其他壁面边界条件为默认的无滑移的绝热边界条件。

3.2 结果分析

图2为蒸发器流体的速度矢量图。从图2中可以看出,加热管内的流体流速最高,而蒸发室和沸腾室内的流体流速较低。加热管内流体的流速从下到上呈现递增的趋势,说明流体刚进入加热管时,流速较低,加热蒸汽对管内流体进行加热后,流体体积膨胀,速度开始加快,在管内进行上升流动的过程中不断地被加热,从而增加流体的流速。

图3是加热管内流体沿换热管径向方向的速度矢量变化图。从图中可以看出,流体的流速在管中心处较大,在壁面处较小,这是由于流体黏性作用,在近壁面处形成了流动边界层。图4是加热管的温度分布图,在管壁处温度较高,中心处温度较低,形成了温度边界层,边界层的存在是符合实际的。

同时,本文考虑了蒸发器内料液的多少对蒸发效果的影响。在分析最初,对初始液面进行了不同高度(也就是反应前料液在蒸发器内所占的百分比)的设置后对蒸发器内的流体进行相同条件下的模拟分析,通过计算分析得到了蒸发器内流体在不同的液面设置下的最大流速和加热管壁的平均给热系数,见图5。通过分析比较可以知道,料液体积在一定百分比下,拥有较高的流速和较高的平均传热系数。

当料液在加热管中被加热时产生气体,与料液混合成气液混合物,与未沸腾的料液产生

密度差,形成了反应时所需要的循环推动力。其中料液在加热管中上升的过程中,为了避免料液在管内沸腾而在管壁上形成污垢,沸腾要在沸腾室内完成[10]。同时,在蒸发时料液的温度不断升高,压力不断降低,达到一定位置时料液就会开始汽化,也就是所谓的汽化段高度。初始料液液面比较低的情况下,达不到料液的汽化段高度,将会产生较少的气泡,形成的气液混合物与未沸腾的料液之间的密度差不会很高,从而没有很高的循环推动力,导致循环速度降低,传热系数减小;而在初始液面比较高的情况下,料液的量很多,产生的二次蒸汽从料液中脱离被排出后,对料液密度的影响不大,同样不能形成很大的密度差,产生不高的循环推动力而导致循环速度和传热系数的降低。通过对不同初始液面情况下进行模拟分析比较得出,料液体积占总体积的83.8%～90.3%会得到较高的流速和传热系数,会提高蒸发器的反应效率,获得更高质量的产品。

(1)在蒸发过程中,流体在加热管内被加热,它在上升过程中流速会逐渐增大,因此在整个蒸发器中,流体在加热管中流速较大,而在蒸发室和沸腾室中的流速较小;加热管中流体被蒸汽加热时,会产生温度边界层,管壁温度最高,管中心温度最低。

(2)反应最初时,通过对料液在蒸发器内状况的不同设置对流体流场进行分析,发现反应过程中,料液体积占蒸发器总体积的83.8%～90.3%时会得到较高的流速和传热系数,可以提高蒸发器的反应效率,获得更高质量的产品。

【相关文献】

[1]刘自珍.我国片碱生产现状及发展对策[J].氯碱工业,2003(9):1-5.

[2]王洪玉.氧化铝厂1 100 m2自然循环蒸发器制造技术[J].工业安全与环保,2003,29(2):25-26.

[3]姜伟,李庆生.72%片碱生产中蒸发器循环推动力及传热的研究[J].氯碱工业,2005(10):36-39.

[4]姜伟.用于72%片碱生产的蒸发装置设计研究[D].南京:南京工业大学,2006.

[5]V Yakhot,SA Orszag,S Thangam,et al.Development of turbulence models for shear flows by double expansion technique[J].Physics of Fluids A,1992,4(7).

[6]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

[7]车得福,李会雄.多相流及其应用[M].西安:西安交通大学,2007.

[8]D L Y oungs.Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion[A].KWMorton,MJ

Baines.Numerical

Methods

for

Fluid

Dynamics[C].Academic Press,1982.

[9]张天孙,卢改林.传热学[M].北京:中国电力出版社,2006.

[10]赵景利,王秀珍.对自然循环蒸发器的技术改造与开发[J].化学工程,1993,21(6):24-28.