气体导流片对旋转床气相流场及三甘醇脱水效率的影响

何易鸿，孟 江，梁智宇

(重庆科技学院，重庆 401331)

超重力技术，作为强化反应过程的一种手段，在化工生产、纳米材料合成、物料分离、废水废气治理等工业领域已有一定的应用基础[1-5]。对于超重力旋转床的结构优化，目前主要集中在填料的类型及整体尺寸上，对于其他内构件的研究则较少。在空气从旋转床入口到进入填料区与三甘醇反应这一过程中，加入合适的导流片后会对气体的运动方向产生一定的导向作用，从而改善气液两相的接触状态，提高反应程度[6]。本文选择了90°导流片、45°逆流导流片、45°顺流导流片和无导流片四种结构，通过数值模拟，研究了不同转速、气量下气体导流片对旋转床干床压降和气体分布均匀性的影响。同时，开展实验对模拟结果进行验证，确定了气体导流片对三甘醇脱水效率的影响程度。

1 计算模型及方法

1.1 物理模型

本文以实验所用逆流旋转床的实际尺寸为参照，采用Solidworks软件建立了三种旋转床的流体模型，如图1所示。其中，进、出气管规格为∅14×2 mm，转子内径40 mm，转子外径80 mm，转子高度75 mm，壳体规格(直径×高度)为∅114×104 mm。两种导流片长10 mm，宽度为2 mm，高度为96 mm，数量为15个。

(a)90°导流片 (b)45°导流片(逆流、顺流) (c)无导流片

1.2 网格划分

采用ICEM软件进行网格划分，将模型分为内空腔区、填料区、外空腔区三个部分，填料结构比较简单，故采用结构网格划分，非结构网格部分采用Tetra/Mixed，生成方法选择Robust(Octree)，三个部分采用“interface”进行连接。同时，对导流片附近以及局部尺寸较小区域进行加密处理。通过无关性验证后，确定本文网格划分完的三种旋转床模型网格参数见表1。

表1 三种导流片旋转床网格参数

1.3 计算模型及方法

本文对旋转床内空气单相流场进行稳态模拟，忽略气体在流动过程中的热效应，不考虑能量方程。其连续性方程为：

(1)

式中，ρ为气体密度，ui(i=x，y，z)为气相在i方向上的速度。

采用MRF模型来表征填料转子与内外空腔区的相对运动。将旋转床的主体区域分为静止区与旋转区来表示，其动量方程分别如下所示：

(2)

(3)

式中，ut为移动区域的相对速度，P为静压力，SF为动量守恒方程源项。

采用RNGk-ε湍流模型模拟旋转床中气相的强旋流动过程，该模型的湍动能方程与湍流耗散率方程分别如下所示：

(4)

(5)

式中，k为湍动能，ε为湍流耗散率，μ为气体动力粘度，Gk为层流速度梯度产生的湍动能，Cμ、αk、αε、C1ε、C2ε、ηo和β为经验常数，均采用Fluent的默认值：

(6)

实验旋转床内填充5mm的球形填料，由于填料内部结构复杂，对其进行几何建模将极大地增加网格数量，提高计算收敛的难度。因此采用多孔介质模型对填料结构进行简化，其原理是在动量方程中添加一个源项，提高区域内的速度损失，从而体现填料对流体的阻碍作用。其表达式为：

(7)

采用Ergun公式计算多孔介质模型中所需要的粘性阻力系数和惯性阻力系数：

(8)

(9)

式中，Si为(i=x，y，z)方向动量方程的源项，D和C为规定的矩阵，|u|为气体速度大小，α为多孔介质渗透率，C2为惯性阻力系数，Dp为颗粒直径，ε为床层孔隙率。

1.4 边界条件及求解方法

本文通过Fluent来模拟计算四种气体导流片对旋转床干床压降与气体分布均匀性的影响。气体进口设为速度进口，气体出口设为压力出口，出口为大气压。使用SIMPLEC算法求解压力——速度耦合，采用二阶迎风进行离散插值，当计算各参数的残差均下降至10-3以下，且监测气体进出口流量保持稳定不变时，认为计算收敛，满足要求。

2 实验部分

利用实验室自主设计的旋转床进行实验，以湿空气模拟湿天然气，以现场使用的三甘醇作为实验用脱水溶剂，实验流程如图2所示。

图2 超重力脱水模拟实验流程

空气经压缩机加压后进入加湿装置使其成为饱和湿空气，再经过滤分离器分离出其中的游离水和杂质，分离后的湿空气进入旋转床与贫甘醇进行反应，脱除其中的水分，由旋转床上部出口排出至外界。而贫甘醇经分布器喷淋在填料层中，吸收完湿气中的水分变成富甘醇后从旋转床底部流出，经再生系统后由甘醇泵输送至旋转床重复利用。使用探针式露点仪测定旋转床脱水前后的空气水露点，使用差压计测定旋转床气体进出口压差。

3 结果和讨论

3.1 模拟结果分析

3.1.1 流场分析

图3和图4分别是转速为 800 r/min、气量为 3000 L/h 时，四种气体导流片旋转床在XY截面上的速度分布云图和流线图。可以看出，由于导流片的阻挡作用，气体在外空腔区的速度明显减小，气体从入口进入后，打到填料上分散成了两股，一部分随着旋转方向慢慢进入填料区，一部分则形成了涡流。进入填料区后，气体获得了极大的周向速度，速度明显增大，然后沿径向由外向内逐渐减小，到达内空腔区后，速度又明显降低，最后沿轴向从气体出口流出。

(a)90°导流片 (b)45°顺流导流 (c)45°逆流导流片 (d)无导流片

(a)90°导流片 (b)45°顺流导流片 (c)45°逆流导流片 (d)无导流片

图5是转速为 800 r/min、气量为 3000 L/h 时，四种气体导流片旋转床在XY截面上的速度分布矢量图。可以看出，加入导流片后，气体在外空腔区流动空间减小，由于导流片的阻碍作用，气体在每相邻两个导流片空隙间形成了涡流，外空腔区流速明显减小。

(a)90°导流片 (b)45°顺流导流片 (c)45°逆流导流片 (d)无导流片

图6是转速为 800 r/min、气量为 3000 L/h时，四种气体导流片旋转床在XY截面上的压力分布云图。可以看出，四种气体导流片旋转床的压力分布比较相似，在入口处均形成了一定程度的压力集中；在轴向和周向上分布都比较均匀；在径向上存在明显的压力梯度，并由外向内逐渐减小。

(a)90°导流片 (b)45°顺流导流片 (c)45°逆流导流片 (d)无导流片

3.1.2 模拟干床压降

图7是四种气体导流片旋转床在不同转速、气量下的干床压降。可以发现，四种导流片旋转床的干床压降均是随着转速和气量的增大而增大，且气量的增大幅度比转速更大，通过比较，四种导流片旋转床的干床压降相差不大，由大到小依次是90°导流片(368.4 Pa)>45°逆流导流片(360.9 Pa)>45°顺流导流片(356.5 Pa)>无导流片(350.5 Pa)。

(a)不同转速 (b)不同气量

3.1.3 气体均匀性

采用径向速度标准差来表示气体在旋转床中的均匀分布情况[7]。三维径向速度标准差的定义式为：

(10)

图8是四种导流片旋转床在不同转速、气量下气体在填料外缘的分布情况。由图8可知，四种导流片旋转床的气体分布均匀性均是随转速和气量的增大而降低，且气量对均匀性的影响比转速要大得多。可以看出，无导流片时的气体均匀性明显要低于加入导流片的均匀性。这是因为加入导流片后，气体在外空腔区形成了涡流，降低了气体流速，气相停留时间加长，从而分布更加均匀。四种导流片旋转床的气体分布均匀性由好到差依次是45°逆流导流片>90°导流片>45°顺流导流片>无导流片，这表明，当气体在外空腔的运动方向和旋转床旋转方向相反时，可以获得更均匀的气体分布。

(a)不同转速 (b)不同气量

3.2 实验结果分析

3.2.1 实验干床压降

图9是不同转速、气量下四种气体导流片旋转床的实验干床压降。从图9中看出，四种导流片旋转床实验值与模拟值的变化趋势相似，加装导流片对旋转床干床压降的影响较小。通过比较，模拟比实验值低50～90 Pa，平均相对误差为16.79%，这可能是在数值模拟过程中将填料简化为多孔介质，通过Ergun公式计算出来的压力损失不太准确造成的。通过实验对比发现，90°导流片、45°顺流导流片和45°逆流导流片的干床压降分别比无导流片高4.95%、2.06%、2.95%左右。

(a)不同转速 (b)不同气量

3.2.2 脱水平衡度

采用脱水平衡度[8]来衡量旋转床中三甘醇脱水的反应程度。固定三甘醇量为 300 L/h，通入三甘醇进行脱水实验，图10是不同转速、气量下四种气体导流片旋转床的脱水平衡度。从图10中看出，90°导流片、45°顺流导流片和45°逆流导流片的脱水平衡度较无导流片分别提高了1.75%、1.37%、2.20%。结合模拟结果可知：气体导流片可以一定程度上提高气体进入填料层时的均匀性，而气体在填料层中的均匀分布可以提高反应程度，对三甘醇的脱水过程有一定的促进作用。

(a)不同转速 (b)不同气量

4 结论

1)四种气体导流片旋转床的干床压降均是随着转速和气量的增大而增大。干床压降由大到小依次是90°导流片>45°逆流导流片>45°顺流导流片>无导流片；四种气体导流片旋转床的均匀性均是随着转速和气量的增大而降低。气体分布均匀性由好到差依次是45°逆流导流片>90°导流片>45°顺流导流片>无导流片。

2)四种气体导流片旋转床中，90°导流片、45°顺流导流片和45°逆流导流片的干床压降分别比无导流片高4.95%、2.06%、2.95%，脱水平衡度分别高1.75%、1.37%、2.20%。