精馏规整填料表面水与液氮降膜流动特性对比研究

扈诗语 植晓琴 顾陈杰 詹高铭 滕艺璇 邱利民

(1 浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

(2 浙江省清洁能源与碳中和重点实验室 杭州 310027)

(3 浙江大学嘉兴研究院 嘉兴 314000)

1 引言

工业气体广泛应用于冶金、电子等行业,低温精馏是目前生产气体产品的主要方式,高孔隙率高比表面积的规整填料被认为是空分精馏塔内填料的首选,其间气液界面特性直接影响精馏过程,是决定空分系统能耗和尺寸的关键。近年来,中国工业快速发展,带来的高能耗大尺寸问题导致空分系统面临诸多挑战。因此,研究低温流体在规整填料表面流动规律,指导精馏过程的精确设计,对于促进中国空分核心装备节能、紧凑式发展具有重要意义。

由于开展低温实验难度大、成本高,精馏过程流体流动特性研究主要依赖室温物系测试,且取得一定进展。Green 等[1]发现持液量沿规整填料竖直方向变化剧烈。Chen 等[2]发现在规整填料波谷处流体速度最大。吴思琪[3]提出甘油液膜厚度随着逆流空气速度增加而增加。谭丽媛等[4]提出表面张力为影响液相分布的主要因素。以上研究均以常温物系为对象,然而,常温物系和低温物系的物性存在巨大差异:一方面,低温物系的液气密度比明显小于室温物系,下降流体更易受上升气体影响。另一方面,低温流体表面张力和粘性通常比常温流体低一个数量级,高表面张力有利于稳定气液界面,遏制液泛发生[5]。随着粘度增大,液体在波纹板上更易铺展成膜[6],同时其内部粘滞力使得界面波不易变形,阻碍气体流动通道,导致液泛。Pavlenko[7]发现液氮在低流速下仅沿波纹板的底部通道流动。Gu 等[8]提出基于常温流体设计的表面纹理可能不适合低温工况下润湿性提高。周芮[9]观察到在液氮-氮气表面极易产生液滴。上述现有的低温物系研究,或假设气相静止,或研究管内气液流动,缺乏填料表面气液逆流界面特性的分析。此外,许多仪器无法应用于低温环境,因此低温精馏过程中不同位置的液体流动润湿特性、气液间相互作用特性等均未有针对性研究揭示,而这对于液泛发生的认识至关重要。

对此,本研究将借助CFD,实现规整填料内复杂流动分布的可视化研究。建立基于规整填料Mellapak 250Y 的逆流REU 模型,通过分析流态、局部润湿率和持液率,揭示水和液氮在逆流气体影响下的气液界面特性差异。

2 数值模型

2.1 物理模型

本研究依据广泛应用的Mellapak 250Y 商用填料进行建模。图1 描绘建立REU 模型,结构参数如表1所示。本研究选取常温物系水-空气,低温物系液氮-氧气分别作为气液逆流物系,其物理性质如表2所示。

图1 规整填料几何模型Fig.1 Geometric model of structured packing

表1 规整填料几何结构参数Table 1 Structure parameters of structured packing

表2 模拟物系的物性Table 2 Physical properties of systems

2.2 控制方程

采用VOF (Volume of Fluid)方法来模拟规整填料内部的气液逆流过程。在VOF 方法中,每个相的位置由体积分数α给出,表示一个单元是充满气体(α=0)还是液体(α=1),或者位于气体和液体的界面(0 ＜α＜1)。计算域中的动量方程如下:

式中:ρ为密度,kg/m3;μ为粘度,Pa·S;由每个单元中每个相的体积分数α决定:

式中:下标L 和G 分别代表液相和气相。在每个单元中体积分数之和为1,通过求解体积分数的连续性方程实现对不混溶流体的界面的跟踪:

式中:σ为表面张力系数,N/m;κ为由界面的单位法向量给出的自由表面曲率。由于液体附着在壁面上,应根据接触角θw进行修正,和分别为壁面处的单位法向量和切向量。采用摩擦压降模型[11]计算曳力:

2.3 数值方法

由于气液界面的瞬时性,模拟被设置为瞬态。如图2 所示,采用速度入口、压力出口和无滑移壁条件,为了避免入口效应影响,只将下层计算域作为分析区域。采用二阶迎风格式求解动量方程,压力项选用PRESTO! 算法,压力与速度耦合方程采用PISO 格式,时间步长设置为1 ×10-5s 以保证courant 数小于0.5。当润湿率和持液率恒定,进出口液体质量流量波动小于2%时,认为流动达到拟稳态。实际规整填料表面具有增强液体润湿的纹理,与光滑表面相比,填料表面的纹理会降低表观接触角。根据以往的文献,表面处理对液体润湿的影响可以用等效接触角的变化来代替,因此在三维规整填料的多相流模拟中通常使用等效接触角而非直接考虑微结构模型。根据Li[12]和Gu[13]的研究,在模拟中将接触角分别设置为10°和5°可以准确反映水和液氮在规整填料表面流动特性,因此,中水和液氮的等效接触角取为10°和5°。

图2 分析区域示意图Fig.2 Schematic diagram of analysis area

2.4 网格无关性验证与模型验证

采用结构化网格,对靠近壁面的液膜层进行加密,分别产生数量为705 024,1 695 744,2 379 456 的网格。两种流体的润湿特性结果如图3 所示,对于水和液氮,在数量为1 695 744 和2 379 456 网格下计算结果几乎无异,因此,为节约计算资源,网格数量被确定为1 695 744,对应最小网格尺寸为0.03 mm。为验证模型准确性,将不同液体载荷下的润湿率计算值与Brunazzi[14]提出的润湿率经验关联式预测值相比,水和液氮误差分别为1.44%和7.27%,Suess[15]提出的持液率经验关联式预测值相对比,水和液氮误差分别为7.15%和5.09%,证明模型具有良好准确性。

图3 网格无关性验证Fig.3 Grid independence verification

图4 模型验证Fig.4 Model Validation

3 结果分析

3.1 流量对液相在M250Y 填料表面流动特性影响

本节针对预载区内水和液氮的降膜流动特性进行研究,暂时不考虑逆流气体的影响,因此气相设置为静态。初步获得流量对不同流体在局部规整填料内表面流形、润湿率、持液率等流动特征参数的影响规律。

3.1.1 流量对液相在M250Y 填料表面流形影响

工业常见3 个典型的液相载荷(L=20、37.5、55 m3/(m2·h))对水和液氮在规整填料内表面的局部流态如图5 给出,黑色代表被液体润湿的区域,灰色代表气体干区。对于液氮,即使在低流量下(L=20 m3/(m2·h)),其流形已经呈现稳定的膜状流动(图5d),且随液体载荷的增加改变不大(图5d—图5f)。水的流动形态主要呈现为气液间隔分布的溪流(图5a—图5c),随着流量的增加其宽度增加。这证明在不考虑逆流气体的情况下,液氮相比水有更好的润湿特性。

图5 液相在不同流量下M250Y 填料表面的分布Fig.5 Distribution of liquid phase on surface of M250Y under different flow rates

3.1.2 流量对液相在M250Y 填料表面润湿特性影响

在不同的液相流率下,图6 展示了液氮和水在图2 所示分析区域内润湿率、持液率、平均液膜厚度。从图6a 中可以看到,液氮润湿率随载荷增加基本没有变化,普遍高达90%。水的润湿率随液体载荷的增大而升高,当液体载荷从20 m3/(m2·h)升高到55 m3/(m2·h),水的润湿率提高了12.4%,最高为85%,但普遍低于液氮的润湿率。两种液体的持液率和平均液膜厚度都随液体载荷的增大而提高,液氮的平均持液率只有水的70%,平均液膜厚度只有水的63.0%。造成水和液氮的流动特征参数的不同的原因是,影响液体的流动特性的力主要是附着力和内聚力。其中,固体表面通过附着力吸引液体,令液体在表面铺展,接触角显著影响附着力的大小,而低温流体固有的较小接触角,使得附着力更能主导其在固体表面的流动润湿行为。内聚力主要使得液体向内部聚集,主要受到表面张力影响,内聚力越小,液体越容易铺展成膜。常低温流体流动特征差异证明液氮相比水,在不考虑逆流气体作用时具有更好的精馏降液膜流动特性。

图6 不同液体载荷下不同液体的局部流动特征参数Fig.6 Local flow characteristic parameters of different liquids under different liquid loads

3.2 逆流气体对液相在填料表面分布影响

3.2.1 逆流气体对液相在填料表面流形影响

逆流气体显著影响气液界面特性,当液相流量一定时,气液间相互作用力将随着气速增大而增大。当相对速度达到一定值时,气体携带部分液体反向流动,这种现象被称为液泛。液泛会破坏精馏塔内的传质过程,使得效率下降。在空分操作过程中,往往采用F因子,Pa0.5作为逆流气体操作参数:

为了揭示逆流情况下水和液氮的的流动特性,图7 给出相同液体载荷(L=20 m3/(m2·h))不同逆流气体工况下水和液氮的流形图。从图7a 中可以看出,对于水-空气,从当F 因子从0 Pa0.5变化到2 Pa0.5时,溪流宽度几乎不变,当F因子变化到3 Pa0.5时,液体形状改变,但整体维持较为规律的溪流。与之相比较,液氮流形受到逆流气体影响显著,当F=0 Pa0.5变化到F=1 Pa0.5时,其液膜被分割,从膜状流动变成气液间隔的溪流状,填料下方局部有不规则气象分布在液体内部。当F=1 Pa0.5变化到F=3 Pa0.5时,液膜区进一步被分割,出现频繁且不规则的气液混合分布,整体都出现气相干区分布。说明气液逆流相互作用力打乱了稳定的液体降膜流动分特性。气液间相互作用力不可忽视。

对于液泛形成的机理,液滴动力学认为,当气体流速达到某一值时,作用在其气液界面处的剪切力大于表面张力,液体表面被气流撕破,溅出液滴,并被气体带着向上运动。提取相分数α=0.5 时的流体面为气液界面,如图7b 所示,可以发现,当F=1 Pa0.5时,低温物系内部已经出现小液滴,当F=3 Pa0.5时,小液滴数量显著增多。而水表面即使在F=3 Pa0.5下也未出现小液滴。当下降液体受到上升气体扰动时,表面张力作为一种回复力会有使液体回到原始状态的趋势,而低表面张力的液氮本身就很难抵抗外界扰动。这证明,在低温物系中,由于低液气密度比和低表面张力的影响,泛点将明显提前。

图7 逆流气体影响下规整填料内流形图Fig.7 Flow diagram of structured packing under influence of countercurrent gas

3.2.2 逆流气体对液相在M250Y 填料表面流动特性影响

在逆流气体影响下,液氮-氧气、水-空气在REU模型内润湿率、持液率结果如图8 所示。从图8a 可以看到,对于水,其润湿率随逆向气体载荷的增大变化不大。对于液氮,润湿率随逆向气体载荷的增大显著减小,这一结果符合前面流形变化规律。当从F=0 Pa0.5变化到F=1 Pa0.5时,液氮润湿率下降35.3%,随着F因子增大,润湿率进一步恶化,F=3 Pa0.5时润湿率只有F=0 Pa0.5时的46.59%,而与之相对应的水润湿率却几乎不变。尤其,当F大于1 Pa0.5时,液氮的润湿率低于水,这一结果与不考虑气体影响时显著不同。从图8b 可以看到,持液率的值受逆流气体影响不大,得注意的是,在F=2 Pa0.5的时候,水的润湿率略微上升,这是因为逆流气体使得液体更易铺展。低温物系的液气密度比远小于室温流体。液气密度比反映了气液间相互作用:较大的液气密度比意味着气体惯性力较大,较小的液气密度比意味着气体对液体的作用不明显。逆流气体作用下液氮润湿率大幅下降说明,虽然低表面张力能够促进液氮铺展成膜,使得低温液体实现较大润湿率,但在实际的逆流过程中,低表面张力使得形成的液膜极易被破坏,因此,认为气相静止这一假设在低温物系的流动特性研究中或许并不适用。此外,以上研究证明,液氮的泛点明显提前,基于水的测试难以精确指导实际氧氮低温流体的降液膜逆流流动工况,尤其是精馏核心操作参数泛点的预测和设计。

图8 不同液体载荷下不同液体的局部流动特征参数Fig.8 Local flow characteristic parameters of different liquids under different liquid loads

4 结论

本研究建立了基于规整填料Mellapak 250Y 几何结构REU 模型,通过分析水与液氮的局部流形、润湿率和持液率,研究水和液氮在规整填料表面的流动特性差异,得到结论如下:

(1)气相静止时,由于低表面张力和低粘性,液氮容易铺展,整体润湿率高于90%,远大于水的润湿率。在液体载荷L=20 m3/(m2·h)时,液氮比水的润湿率高出21.52%。

(2)在逆流气体下,由于低表面张力和低液气密度比,低温物系液氮-氧气的气液界面易受到逆流气体影响,膜状流动极易被破坏,并演变成不稳定气液混合流动分布,造成低温物系泛点提前。此外,液氮的润湿性也从大于90% 显著降低至50% 以下,在F大于1 Pa0.5范围,液氮的润湿性远小于水。

(3)以上研究说明,虽然低表面张力和低粘性能够促进液氮的铺展成膜,促进低温液体的润湿,但是在实际的逆流过程中,低温物系的润湿情况并不高,因此,以水-空气为测试液体进行低温精馏的设计并不准确。此外,在以往的规整填料流动研究中,认为在载点以前,气相对液相影响可以忽略不计,往往假设气相静止,本研究表明,这一理想性假设并不适用于低温空分中低温物系的研究。