VOCs 处理装置系统流域fluent 数值分析＊

李一伟，施俊奇，吴兴祥，李晓东

（中船海洋动力部件有限公司，上海201306；上海海事大学，上海201306）

油漆间工作时会产生大量的挥发性有害气体，会不同程度地影响当地环境和人们的生活环境水平，因此对于有害气体的收集和处理显得愈发重要，同时新的公约标准对工业区有害气体的排放有进一步要求，针对这些要求，公司研发生产了一套VOCs（Volatile Organic Compounds）收集处理装置[1]。为了更可靠、更方便和更有科学依据地说明此套设备的性能，需要对其流场特性展开研究与分析[2-3]。

VOCs 装置通过风机吸入工作车间里被污染后的气体，然后通过一系列的缓冲、过滤、催化等装置，对其进行净化处理，达到符合公约排放标准后，再排入大气中。而装置内部流场分布情况与流通性直接影响着整个装置的处理效果与经济性能[4]。为了更加直观地了解和观察整个装置的气体流通情况，了解整个装置的流通性能，需要对整个装置流域进行流体数值仿真模拟[5]。

1 三维模型建立

1.1 总体装置模型的建立

对于整个装置的流体分析，为了更加准确地反映实际工作装置的流通性以及其他考虑因素的具体情况，首先需要建立一个合理的、符合实际的流体区域。为了充分反映实际，需要根据实际的设备尺寸等信息对VOCs 收集处理装置进行参数建模。

此次仿真实验VOCs 收集处理装置总安装模型如图1 所示，VOCs 收集处理装置模型如图2 所示，其主要由油漆间、过滤缓冲组合装置、吸附系统、催化床、管路、1 台吸附风机、1 台脱附风机等设备构成，主要用于收集处理油漆间的VOCs 气体，通过一系列的过滤与催化使其满足排放标准的要求。

图1 VOCs 收集处理装置总安装模型

图2 VOCs 收集处理装置模型

1.2 总体流场模型提取

为了减少相应的计算量，对一些对结果影响比较小的细节进行优化，忽略无关的细节特征。例如泵的压力与泵的结构，包括叶轮形状、腔室结构等。但在此次实验仿真中，泵的主要目的是提供一定的负压，实现抽排功能。考虑到其分析的计算量，发现泵的动态流场仿真对此次仿真实验意义不大。将泵体的流场分析简化为相应的流道或设定对应的出口压力进行替换，另外忽略其他对流场分布影响较小的部分。VOCs收集处理装置流场模型如图3 所示。

图3 VOCs 收集处理装置流场模型

2 fluent 仿真模型设置

2.1 确立VOCs 装置流场边界条件

整个系统的流量与抽气机的风量直接相关，假设在理想状况下的系统流量完全由抽气机的风量决定，设定整体系统的入口风量为：

式（1）中：Q为风机的风量，m3/h；Sin为入口截面面积。

将5 000 m3/h 以及半径r=0.41 m 代入式（1）中，解得vV。VOCs 装置空气入口边界fluent 如图4 所示。

图4 VOCs 装置空气入口边界fluent

与此同时，仍需要确定VOCs（甲苯作为代表）的挥发速率，由于挥发性物质肉眼不可见而且难以直接测量，直接测量VOCs 的挥发量存在很大难度，因此通过测量挥发时房间的平均质量浓度，来间接换算VOCs 的挥发量：

式（2）中：cm为甲苯室内质量浓度，mg/m3。

将Q=5 000 m3/h、cm=200 mg/m3代入式（2）中确定vm=0.000 277 8 kg/s。VOCs 装置污染物入口边界fluent 如图5 所示。

图5 VOCs 装置污染物入口边界fluent

2.2 设定多孔区域

对多孔介质中流动特性的理论研究，通常是根据具体的多孔材料，将复杂的孔隙结构加以几何简化，提出相应的结构模型，如球体堆积模型、圆柱体或纤维模型、管束模型和网络模型等。

催化床模型以及催化剂内部结构如图6 所示，装置下部为换热器，中间填充100 mm×100 mm×50 mm的催化剂，总高150 mm。为了研究整体的流场特性，催化床等多孔介质不能忽略，需要对其进行模型简化，用数学模型方式定义到流体仿真中。多孔介质模型示意图如图7 所示。

图6 催化床模型以及催化剂内部结构

图7 多孔介质模型示意图

动量方程阻力源项：

式（4）中：Dμ、Cμ分别为粘性阻力系数和惯性阻力系数。

粘性阻力系数与惯性阻力系数可以通过测量多孔介质前后压强的关系来进行拟合，也可以通过公式（5）（6）[6]来确定：

式（5）（6）中：Dp为平均颗粒直径；ε为孔隙率。

此例中，取ε=0.85，取Dp=3 mm。把整体式蜂窝型催化剂材料当作多孔区域来等效处理，根据流动阻力模型[7]计算出其粘性阻力系数和惯性阻力系数，由于整体式的蜂窝材料并非各项同性，流通方向与横截面方向存在差异，流通方向的粘性阻力系数和惯性阻力系数明显小于横截面方向。在仿真工程中，把流通方向的阻力系数乘以1 000 来等效处理横截面处的粘性阻力系数和惯性阻力系数。多孔介质参数设定如图8 所示。

图8 多孔介质参数设定

2.3 进行求解设置，求解

在确认完流场区域模型、边界条件、区域属性设置之后，需要对流场进行求解器设置，设置求解迭代步、求解时间，使其结果收敛。

3 实验结果与分析

通过对仿真结果与实际的压力变化情况进行比较，来初步判断仿真模型的有效性。在此示例中，设置出口压力为0 Pa，空气进口流速为2.63 m/s，污染物进口质量流为0.000 277 8 kg/s。

3.1 压力分布

各装置实际压降情况如表1 所示。VOCs 收集处理装置仿真结果曲线图如图9 所示。

表1 各装置实际压降情况（单位：Pa）

图9 VOCs 收集处理装置仿真结果曲线图（含过滤缓冲装置）

仿真分析中，总体装置加管路压降大致为800 Pa，而实际管路中的总体缓冲吸附总压降为1 000 Pa。仿真结果与实际存在误差，大致符合实际设备压降情况。下面通过以下场合和工况特性来分析此次设备装置的实用性。VOCs 收集处理装置独立装置流场情况：油漆间、过滤缓冲装置、吸附沉淀。

对于VOCs 收集处理装置来说，质量浓度分布不均匀会影响收集处理装置的效果，在设备设计良好的情况下，当有害气体在收集处理装置中，质量浓度分布均匀时，收集处理效果会更好，催化剂的催化效果能更充分显现。

质量浓度分布：油漆间总高3.5 m，从中间开始每隔0.7 m 设立一个观察面，来监测房间内甲苯气体质量浓度分布情况。油漆间内监测平面分布如图10 所示。油漆间内甲苯质量浓度分布情况（间隔0.7 m）如图11所示。油漆间内甲苯质量浓度分布情况（间隔2 m）如图12 所示。

图10 油漆间内监测平面分布

图11 油漆间内甲苯质量浓度分布情况（平面由高到低间隔0.7 m）

图12 油漆间内甲苯质量浓度分布情况（平面由左到右间隔2 m）

通过观察房间内甲苯质量浓度分布图可知，房间内的甲苯由进口到出口，云图颜色从大范围黑色变为大范围的浅灰色（对应更高质量浓度的甲苯），质量浓度呈现递增趋势。表明VOCs 处理装置的布置在新风和旧风的置换过程中出现比较明显的结果云图，对室内有害气体的收集起到明显的效果。

VOCs 收集处理装置整体甲苯质量浓度分布情况如图13 所示。流道行程检测轨迹如图14 所示。VOCs收集处理装置流程中的甲苯质量浓度分布曲线如图15所示。

图13 VOCs 收集处理装置整体甲苯质量浓度分布情况

图14 流道行程检测轨迹

图15 VOCs 收集处理装置流程中的甲苯质量浓度分布曲线

结合分析甲苯质量浓度分布曲线和fluent 仿真云图可以看出，VOCs 收集处理装置在收集有害气体的过程中，经过第一道管路时，云图颜色逐渐单一化且曲线的波动起伏趋于平缓，甲苯质量浓度分布已经呈现稳定趋势，再经过过滤缓冲装置之后，质量浓度分布的趋势更加稳定。

在质量浓度分布均匀的前提下，仍需要考虑速度流速情况，流速和局部流速的均匀程度都会影响到装置对有害气体的收集与处理。

3.2 速度分布

VOCs 收集处理装置整体速度矢量分布情况如图16 所示。

图16 VOCs 收集处理装置整体速度矢量分布情况

从速度流场图可以直接看出，由于横截面积变化的原因，混合气体在过滤装置和缓冲装置中流速慢，且总体呈现比较均匀的分布，有利于有害气体在各个设备中的催化氧化或吸附沉淀。同时在多孔介质中（模拟吸附床和催化床）流速分布也相对比较均匀。

在考虑质量浓度、速度的情况下，流场流线的情况会影响装置整体的流通性能和经济性。良好的流线情况对整机装置的能耗有直接影响，良好的流线情况会提高装置整体的经济效应。

3.3 流线情况

VOCs收集处理装置整体流线分布情况如图17所示。

图17 VOCs 收集处理装置整体流线分布情况

从流线分布图可知，在油漆间内，空气存在大量的涡流情况以及油漆间与管道处截面变化影响了流线的流畅性。同时在管道拐弯处，多孔介质前端的流线数目均出现下降，说明这些节点比较严重地影响了流场流道的流畅性，会大幅度增加流动阻力。过滤缓冲以及催化床的作用不可或缺，而这势必会影响到流场的流畅性。这就需要考虑流场流畅性以及处理装置布置的合理性，对于这个问题留作后续研究与开发。

4 结论

本文采用数值模拟的方法，对VOCs 收集处理装置进行流场建模分析，得出以下结论：①整个装置在对VOCs 收集处理时，VOCs 在整个装置内经过一系列的缓冲、吸附、催化时，质量浓度分布均匀，为保证VOCs 处理效果提供了良好的前提条件；②但是在质量浓度分布均匀的同时，因为增加了过滤缓冲等装置，也相应牺牲了流场一定的畅通性，在经过多孔区域时，流场的畅通性明显下降；③在过滤缓冲以及催化装置处适当增加其横截面积，会更有助于流道的畅通性，并减缓流体速度。