鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘流动特性与CFD模拟

陈光辉，祝华腾，郭秀玲，王伟文，李建隆

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘流动特性与CFD模拟

陈光辉，祝华腾，郭秀玲，王伟文，李建隆

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

就痕量精馏中塔板传质效率低、需强化气液传质的问题，研究者提出了新型鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘，通过在筛板上泡沫层高度范围内设置一层破泡装置，打破大气泡，减小气泡体积，强制界面进行更新，从而提高传质效率。采用双欧拉模型分别对鼓泡破泡一体化塔盘和筛板进行了气液流场的数值模拟，并对模型进行了验证。对比两种塔板的计算结果可以看出：在相同操作条件下，破泡装置将大气泡破裂成无数小气泡，使高气含率区域面积较普通筛板进一步增大，且气含率梯度变化更均匀；增加破泡装置后，在相同气速条件下气泡上升速度下降，气体在液层中的滞留时间延长，使鼓泡层高度增加，可显著提高传质效率，且降低了气体雾沫夹带量；破泡装置还明显改善了气相的纵向分布，气含率由塔板底部向上逐渐增大且存在明显分界；破泡装置附近湍动较剧烈，气泡破碎喷出的气体会进一步撕裂液膜，气体破碎作用会抑制气泡聚并，促进界面的快速更新更有利于传质过程的进行。研究结果可对工业塔板设计和优化提供指导。

数值模拟；气泡；筛板塔；气液两相流；气含率

引 言

板式塔[1-5]具有结构简单、易于放大等优点，广泛应用于石油、化工、制药等行业。塔板是气液两相接触并进行传质、传热的场所，研究人员一直致力于开发大通量、高传质效率的新型塔板，如固阀塔板[3]、船型浮阀塔板[6]、雾化概念塔板[7]、垂直筛板[8-9]等。还有学者在筛板结构改进及塔板流体力学性能测试上做了大量的研究[10-12]。

随着近代石油化工、精细化工、生物化工等行业的发展，对混合物的分离提出了更高的要求，特别是对于分离精度要求很高的痕量精馏领域。普通筛板会因大气泡存在而降低气液接触面积，增大雾沫夹带，最终使板效率大打折扣。就痕量精馏时如何克服塔板传质效率低，强化气液传质的问题，青岛科技大学开发了一种新型气液传质塔板[13]，结构如图1所示，由塔板、支撑件和破泡组件组成。设置为立式，首先在分块塔盘边缘开孔，用双面可拆螺栓固定支撑件，并将破泡组件固定在支撑件上。通过在筛板泡沫层内设置一层破泡装置，打破大气泡，减小单个气泡体积，强制界面进行更新，从而提高传质效率[14]。

图1 鼓泡破泡一体化塔盘结构Fig.1 Structure of renormalization microscale tray

目前，计算流体力学（CFD）已被广泛应用于塔板上气液两相流动和传质性能的模拟计算[15-18]。本文将进行鼓泡破泡一体化塔盘和筛板的气液流场数值模拟，讨论鼓泡破泡一体化塔盘对筛板上气含率及气相速度分布的影响，研究结果可为新型塔板设计和优化提供指导。

1 数学模型与参数设定

1.1 数学模型

不同于单相模型和混合模型，双欧拉模型假设两种湍流流体在时间上共存，可视为互相穿透的连续介质，其运动规律遵从各自的控制微分方程，并且两种流体间存在动量、能量以及质量的相互作用，对两相间作用的描述更为全面具体，更加符合精馏塔板上气液两相的实际流动状况[15,18]。本CFD计算基于双欧拉模型，湍流模型采用标准k-ε模型，模拟所用的主要方程组见式(1)～式(4)。

第i相的连续性方程

第i相的动量方程

相间动量转化方程

初边值条件的选取如下。

气体进口：

速度边界条件

液体进口：

速度边界条件

气体出口：

压力边界条件

液体出口：

压力边界条件

塔板中心面（对称面）边界条件

壁面边界条件：设为无滑脱边壁条件，各方向速度为零，即ui,q=kq=εq=0。

1.2 网格划分及参数设定

筛板和鼓泡破泡一体化塔盘的物理模型均设为内径120 mm、高110 mm的圆形塔段，堰高74 mm，筛孔直径φ5 mm，开孔率9.5%。流速较高时，惯性力为最初气泡大小的控制因素[19]。本研究中将破泡装置简化为一层多孔筛网，理论上较小的筛网孔径与丝径更有利于打破大气泡，减小单个气泡体积，但为减少计算量，在建立物理模型时设置筛网孔径3 mm、丝径1 mm。利用塔板结构的对称性，只计算一半区域，模型如图2所示。计算网格主要采用六面体，部分采用楔形网格。以清液层高度[20-21]为判别标准验证了网格独立性。随着网格数目的增多，模拟值与实验值越接近，经过网格无关性检验，筛板模型划分网格数量为575300，鼓泡破泡一体化塔盘模型划分网格数为591541。

近壁面采用 FLUENT的标准壁面函数进行处理。对于边界条件，气体与液体入口均为速度入口，出口为压力出口，壁面设定为无滑移边界。时间项采用隐格式，对流项采用一阶迎风格式，压力-速度耦合方程选用Simple算法，时间步长为0.002 s。Wang等[22]在表观气速为 0.233m⋅s-1、液流强度为0.77 m3⋅h-1⋅m-1、清液层高度为 0.012 m 的操作条件下利用 CCD高速摄像对气泡图像进行了分析，统计了塔板上气泡径向分布情况，由实验观测得到刚过孔的气体产生的气泡直径大约为0.03 m。因此本文模拟中设置的初始分散相采用均一气泡尺寸，且设置气泡直径为0.03 m。

2 结果与讨论

2.1 清液层高度

Krishna[23]、Van Baten[24]、Getye 等[25]都曾采用板上清液层高度验证塔板气液两相 CFD模型的准确性。本文亦采用实验所测清液层高度[14]作为CFD模型的可靠性验证指标。图3为在表观气速为0.233 m⋅s-1，液流强度为 0.77 m3⋅h-1⋅m-1的操作条件下，模拟得出的清液层高度随时间的变化，从图中可以看出t=3 s后计算收敛，模拟计算得到的清液层高度为计算收敛后一段时间内的平均值。

图2 筛板和鼓泡破泡一体化塔盘模型Fig.2 Models of sieve tray and renormalization microscale tray

图3 筛板清液层高度随时间的变化Fig.3 Transient clear liquid height of sieve tray changing over time

图4是清液层高度模拟计算值与实验值的对比，从图可以看出模拟值比实验值偏大，原因在于本文的曳力模型更适合计算中等气泡群所受曳力，相间作用力考虑不全面使得预测值偏大。但模拟值能较好地反映清液层高度受表观气速的影响趋势，模拟值与实验值的平均相对误差为 18.1%，模拟结果可信。

图4 清液层高度模拟值与实验值的对比Fig.4 Comparison of experimental clear liquid height with results of CFD simulation

2.2 流场分析

分别模拟了非稳态下的筛板和鼓泡破泡一体化塔盘在40 s内的流动状况，鉴于模型在较高表观气速下误差较小，3 s后计算就可以收敛，选取了t=10 s，表观气速为0.233 m⋅s-1时的数据进行了对比分析。

图5给出了筛板上不同高度横截面的气含率分布。从图可以看出，塔板底部的孔上气体喷射形成气锥，气锥内的气相近似连续相，受错流影响，筛孔处气相速度倾斜向上，气含率的分布随着轴向高度的增加而增大，液层内可认为气相是分散相，而在泡沫层之上，脱离液相的气相又变为连续相，泡沫层是气液传质的主要场所。液相入口处（Z=0 mm截面），由于气流提升大量液体，周围液体不断补充过来，使气相受到液相的冲击作用，导致上升的气流向X正向运动，最终不同筛孔上升的气流发生碰撞混合，在Z=3 mm截面形成了4个鼓泡剧烈、含气率较高的区域。随着高度的增加，气含率较高的区域越来越集中在液相出口附近和弓形回流区，这是液相流动的推动和回流作用的结果。

图5 筛板不同高度横截面上的气含率分布Fig.5 Distribution of gas hold-up in different height on sieve tray

图6是筛板上不同高度截面上的气液两相速度矢量分布图。可以看出，气相受到液相平推力的影响，流动方向为X正向，类似平推流。由于液相主流区和滞流区之间存在明显的速度差，主流区高速液体对弓形区低速液体产生剪切作用，所以弓形区和液相出口附近（图中局域1、2、3、4所示）存在回流区。气泡附近的液相受气泡上升的作用，流动方向比较复杂，且主流方向竖直向上。随着高度增加，液层中气泡直径也不断增大，当气体的能量不足以克服其上部阻力时，气泡便会破裂，破碎成的小气泡和液体混合形成泡沫层。泡沫层也是气液分离区域，没有绝对的连续相和分散相，不能被气相夹带的液体回落到塔板上，余下部分被气相夹带出泡沫层。

图6 筛板不同Z平面气相速度场Fig.6 Gas velocity field along different Z plane on sieve tray

图7 筛板与鼓泡破泡一体化塔盘Z=30 mm平面上的气含率分布Fig.7 Distribution of gas hold-up in Z=30 mm on renormalization microscale tray

2.3 鼓泡破泡一体化塔盘对气相体积分率的影响

鼓泡破泡一体化塔盘系在筛板Z=30 mm处设一层破泡装置，为了研究鼓泡破泡一体化塔盘对气含率的影响，比较了两种塔板在Z=30 mm截面上的气相体积分率，如图7所示，通过对比发现，设置破泡装置后高气含率区域的传质面积较普通筛板进一步增大。破泡装置除增大气液接触面积外，还可更新传质相界面，增大传质推动力；同时大气泡破裂成小气泡后，单个小气泡体积小，所受浮力较小，因而与大气泡相比，在相同气速条件下气泡上升速度下降，在液层中的滞留时间延长，使鼓泡层高度增加，可显著提高传质效率。且小气泡破裂时气相动量低，气体雾沫夹带量少。

2.4 鼓泡破泡一体化塔盘对平面气相速度场的影响

Wang等[22]在表观气速为 0.233 m⋅s-1、液流强度为 0.77 m3⋅h-1⋅m-1、清液层高度为 0.012 m 的操作条件下利用CCD高速摄像对气泡图像进行了分析，分别选取了Z1=0.02 m、Z2=0.05 m、Z3=0.08 m 3个高度，分析了塔板上气泡径向分布情况，如图8所示。通过对比塔板的气泡分布发现，鼓泡破泡一体化塔盘上气泡平均直径的分布范围从筛板塔的20～58 mm降低至1～3 mm，表明破泡装置有效打破了较大气泡，显著减小了气泡尺寸。

两种塔板在Y=0平面气液两相速度矢量如图9所示，由图可知，破泡装置通过打破大气泡显著降低了气体上升速度，增加了气液的碰撞和湍动强度，延迟了气相脱离自由界面的时间。破泡装置还明显改善了气相的纵向分布，气含率由塔板底部向上逐渐增大且存在明显分界。随着轴向高度的增加，气相速度减小，大部分液相回落到液层中，只有少部分液体被气相带走，破泡装置附近湍动强度较大，大气泡破裂喷出的气体会进一步撕碎液膜，增大泡沫层高度；同时气体破碎作用亦会抑制气泡聚并，促进界面的快速更新，更有利于传质过程的进行。出口堰的阻挡使得气相速度转而向上，与筛板比较，鼓泡破泡一体化塔盘液相出口夹带的气相也有所减少。

图8 筛板与鼓泡破泡一体化塔盘中不同轴向高度气泡平均直径分布Fig.8 Sieve plate and renormalization microscale tray in different axial height of average diameter of bubble distribution

图9 Y=0平面气相速度场对比Fig.9 Comparison of gas velocity field at flat in Y=0

在分离精度要求很高的痕量精馏中普通筛板的板效率会大打折扣，究其原因在于，筛板形成的气泡较大，严重阻碍了气液相接触，相间传质通量大打折扣，Murphree效率很低。李苏雅[14]研究表明：无论筛板的板效率高低，微尺度板的板效率始终在0.9以上，工业生产中筛板塔的塔板效率一般在0.7～0.8范围内，若是用微尺度板代替之，板效率将增长1.25～1.43倍，Murphree效率接近1。

3 结 论

针对痕量精馏中克服塔板传质效率低、强化气液传质的问题，研究者通过在筛板上泡沫层高度范围内设置一层破泡装置，用以打破大气泡，减小气泡体积，强制界面进行更新，从而提高传质效率。本文采用双欧拉模型对两种不同塔板气液流场进行了数值模拟，得到如下结论。

（1）利用实验所测清液层高度验证了模拟的可靠性，结果表明模拟值能较好反映清液层高度受表观气速的影响趋势，模拟值与实验值的平均相对误差为18.1%，模拟结果可信。

（2）通过对比气相体积分率图可以得出，在相同操作条件下，破泡装置将大气泡破裂成无数小气泡，使高气含率区域面积较普通筛板进一步增大，且气含率梯度变化更均匀；大气泡破裂成小气泡后，在相同气速条件下气泡上升速度下降，气体在液层中的滞留时间延长，使鼓泡层高度增加，可显著提高传质效率。且小气泡破碎时气相动量低，降低了气体雾沫夹带量。

（3）对比气液两相速度矢量图可以发现，破泡装置明显改善了气相的纵向分布，气含率由塔板底部向上逐渐增大且存在明显分界。破泡装置附近湍动强度较剧烈，气泡破碎喷出的气体会进一步撕裂液膜，气体破碎作用会抑制气泡聚并，促进界面的快速更新，更有利于传质过程的进行。

符 号 说 明

Ahole——孔面积，m2

C——堰常数

CD——曳力系数

d0——气泡直径，m

g——重力加速度，9.81 m·s-2

hap——降液管底隙高度，m

hd——清液层高度，m

k——湍动能，m2·s-2

lw——溢流堰长，m

MG,L——动量源相，N·m-3

Nh——孔个数

Q——流量，m3·s-1

t——时间，s

US——空塔气速，m·s-1

u——速度，m·s-1

Vslip——气液两相间滑移速度，m·s-1

x,y,z——x、y、z坐标轴，m

Z——塔板高度，m

αaverage——相平均体积分数

ɛ——湍流耗散率，m2·s-3

μeff——有效动力黏度，Pa·s

ρ——相密度，kg·m-3

下角标

G——气相

i——第i个量

L——液相

q——气相或液相

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date:2017-03-29.

Prof.LI Jianlong,ljlong@qust.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21276123),the Conversion Program of Scientific and Technological Achievements in Qingdao—the Special People-benefit Project (16-6-2-50-nsh) and the Shandong Provincial Higher Education Science and Technology Program General Project Class A (J17KA107).

Flow characteristics and CFD simulation on a high-efficiency sieve tray with bubble crusher

CHEN Guanghui,ZHU Huateng,GUO Xiuling,WANG Weiwen,LI Jianlong
(College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao266042,Shandong,China)

A high-efficiency sieve tray with bubble crusher was proposed.A layer of bubble crusher device was added in the height range of the foam layer on the sieve tray.The device could decrease the volume of the bubble and force the interphase to renovate,improve mass-transfer efficiency of trays in the trace distillation,and strengthen the gas-liquid mass transfer.The numerical simulation of gas-liquid two-phase flow field is carried out on the micro-bubble tray and sieve tray by Euler-Euler two fluid model,which was verified by test.The results showed that the bubble crusher device can effectively break the large bubbles,which made the gas distribution in those regions characterized by the small fraction of gas volume and evident back-mixing phenomenon more uniform,the regional area with large bubble content larger ,and the gas hold-up distribution was gradient.The bubble crusher device in the foam layer can increase the interfacial area for vapour-liquid contact and residence time,improve the mass transfer efficiency and reduce the gas entrainment.The turbulence intensity near the bubble crusher device was high.The gas sprayed while large bubbles broken will further tear the liquid layer and increase the height of the foam layer,and bubble coalescence was restrained.The quick interphase renovation could enhance mass transfer process.The results can provide guidance for the design and optimization of industrial trays.

numerical simulation; bubble; sieve plate tower; gas-liquid two-phase flow; gas holdup

TQ 053.5

A

0438—1157（2017）12—4633—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170318

2017-03-29收到初稿，2017-08-29收到修改稿。

联系人：李建隆。

陈光辉(1979—)，男，博士。

国家自然科学基金项目（21276123）；青岛市科技成果转化计划—科技惠民专项项目（16-6-2-50-nsh）；山东省高等学校科技计划一般项目A类（J17KA107）。