煙氣脫硫過程中固液兩相流流場數值模擬

煙氣脫硫過程中固液兩相流流場數值模擬

近年來，計算流量控制（cpd）的發(fā)展為優(yōu)化設計帶來了革命性的變化。利用CFD技術對攪拌槽進行數值模擬,不受試驗設備、試驗規(guī)模、試驗成本及試驗周期的束縛。固液攪拌是工業(yè)攪拌中比較常見的一種操作,相比于均相液體攪拌要復雜的多［１－４］。煙氣脫硫過程中,吸收塔、事故漿液箱、石灰石漿液箱等都裝載石膏漿液(主要成分為CaSO４·2H２O、CaSO３·1/2H２O、CaCO３、Ca(OH)２、MgCO３、SiO２等),漿液箱多采用頂進式攪拌器。頂進式攪拌器的作用主要是將固、液混合均勻,防止固體沉淀。因漿液箱、漿液池內配有漿液泵,若漿液濃度過高,對泵磨損增大,影響其使用壽命,故對漿液箱內固液懸浮要求較高。在固液懸浮混合均勻的同時,節(jié)能降耗是必需的,因此對漿液箱的結構進行優(yōu)化非常重要。采用CFD軟件對某公司提供的煙氣脫硫漿液箱的模型及工況參數進行數值模擬,分別從攪拌器類型和擋板數兩方面對漿液箱的結構進行優(yōu)化。對不同槳型的流場和攪拌功率進行對比分析,確定最佳工況;同時研究了擋板的設置對攪拌槽內流場的影響。1幾何模型和模擬方法1.1器體離底、槳葉直徑及轉速n計算模型以事故漿液箱(用于在吸收塔事故或檢修狀態(tài)下儲存或倒換漿液)為例,結構如圖1所示。攪拌槽為平底,直徑d=13m,液位高h=11.8m,攪拌器離底高度l=2.4m。槽內均勻分布6塊擋板。介質為石膏漿液,漿液密度為1.211×10３kg/m３,黏度10μPa·s,固體顆粒密度為2.32×10３kg/m３,固體質量分數為30%,顆粒直徑為50μm。槳葉直徑D=0.3d=3.9m,葉梢寬度約為槳直徑的20%。轉速n=20r/min。網格劃分采用非結構化四面體網格,對攪拌軸、葉片等區(qū)域進行網格加密處理,網格總數約為53萬,如圖2所示。1.2槳葉旋轉軸位置的控制設液相為連續(xù)相,固體顆粒為分散相,計算中假設固、液兩相間無質量交換［５］。采用多重參考(MRF)［６］處理運動的槳葉和靜止的槽壁之間的相互作用,在包含槳葉的圓柱形區(qū)域內采用旋轉坐標系,其他區(qū)域采用固定坐標系處理旋轉區(qū)域和靜止區(qū)域的關系。采用標準κ-ε模型,標準壓力-速度耦合采用SEMPLE算法,一階迎風差分格式,計算殘差設定為1×10－３。監(jiān)測速度和攪拌軸扭矩,且當所檢測變量恒定時認為計算收斂。2結果與分析攪拌槽內的流場分布受多種因素影響。模擬中,采用單獨改變一種因素的方法分析各個因素對流場結構和功率消耗的影響。2.1不同槳型條件下流場對比選取斜槳式、三窄葉旋槳式和三折葉開啟渦輪式(折葉角θ=24°)3種不同形式的槳葉,結構如圖3所示,分別考察其在攪拌槽中的流場。斜槳式和三折葉開啟渦輪式都屬于軸向流型槳。旋槳式是以2~3只推進式攪拌部件為主的一種攪拌器,在攪拌時有較高的旋轉速度,能迫使物料沿軸向運動,使物料充分循環(huán)和混合。軸向流攪拌器常用于固液懸浮操作［７］。圖4為斜槳式(a)、三窄葉旋槳式(b)和三折葉開啟渦輪式(c)下模擬的同一標尺下的流場。由圖4看出:其他條件相同時,3種槳型的流場基本相同,都是在槳葉外側部分形成一個明顯的渦流,并且沿軸向方向的速度比較大;流體從槳葉處向下流動,到達底面處向壁面流動,然后經壁面向上流動,從而形成一個在槳葉外側的渦流,帶動流體流動,帶給流體更多的湍動能,使底部流體流動更劇烈。從圖4看出,c的作用范圍比a和b的大,引起的湍動能也較a和b的強烈。為了進一步分析流場中的速度分布及不同槳型對流場的影響,在穩(wěn)定流場中,繪制在改變槳型條件下整個攪拌槽在γ=0.25d處Z軸方向上的速度分布,結果如圖5所示。由圖5可知:在γ=0.25d處,3種槳型的速度分布差別不是很大;沿底部向上的速度先增大后減小,直到液面處為零;在離底1m左右速度達到最大值,說明該處流體有漩渦存在,由槽體下部形成的大循環(huán)流動引起。圖5中a的合速度的最大值較b和c的大,b的最小;a的速度整體上較大,尤其在液面附近,b和c的速度在離底一段距離后已趨于零,而a的合速度直到到達液面處才趨于零。單從速度大小來說,a的速度較b和c的大。b和c的速度分布基本相似,但是b中液面區(qū)域速度較早趨于零,且速度整體上最小,混合效果最差。2.2攪拌槽內流體流動狀態(tài)變化數值模擬的驗證攪拌功率P=2πnM=Mω,M為扭矩,ω為角速度。通過數值模擬可得到攪拌器的扭矩,進而求得功率大小。攪拌功率的理論計算公式為功率準數Nｐ［８］與雷諾數有關。計算結果見表1。由表1可知,模擬值比理論計算值偏小,這是由于所計算的模型是經過簡化而來所造成的。數值模擬采用的模型為理想模型,攪拌槽內流體的流動狀態(tài)假設各向同性,而實際中攪拌槽內流體的流動狀態(tài)為各向異性。對于三窄葉旋槳式攪拌槳,由于為新型攪拌槳,功率準數尚無成熟計算公式,根據相似原理,在強湍流、且有擋板情況下,功率準數幾乎是一定值［９］,而三窄葉旋槳式攪拌槳的攪拌效果類似于三葉推進式,故按三葉推進式功率準數計算?？偟膩砜?數值模擬所得到的功率還是比較準確的,斜槳式和三折葉開啟渦輪式的數值模擬值與理論計算值的誤差在15%以內。由表1可以看出斜槳式槳葉功率消耗最大,三窄葉旋槳式功率消耗最小,三折葉開啟渦輪槳功耗居中。結合流場和功率,三折葉開啟渦輪式槳較其他兩種槳型更適合。2.3規(guī)則動態(tài)的體積分數分布對于低黏度介質,擋板的作用是使槽內流體在攪拌器攪拌作用下,消除攪拌槽中央的“圓柱狀回轉區(qū)”,并能產生上下翻騰的流動,改變流動狀態(tài)。擋板的設置對混合效果影響很大。擋板數nｂ為0、3、6,均為均勻分布,擋板寬度wｂ=1.2m,擋板數nｂ=6時為全擋板。圖6為三折葉開啟渦輪槳在不同擋板數下不同軸向位置監(jiān)測面上的固體平均體積分數分布。從圖6看出:在軸向高度小于7m時,固體平均體積分數基本為30%,說明擋板在該區(qū)域對監(jiān)測面上的固體平均體積分數影響不大。在軸向高度大于7m后,擋板對固體平均體積分數分布影響顯著:無擋板時,監(jiān)測面上固體平均體積分數迅速減小,而3擋板和6擋板下固體平均體積分數僅稍有減少,說明在該工況下,應該設置擋板來使上層區(qū)域的固、液懸浮更均勻;軸向高度大于10m以后,3擋板時固體平均體積分數下降的較6擋板時快,并且在液面附近,3擋板時固體平均體積分數遠遠小于6擋板時,而6擋板時固體平均體積分數下降僅3%左右,說明該工況下應當設置全擋板,這與文獻中對擋板的設置相驗證。2.4折葉開啟動力學模型將攪拌槽內網格節(jié)點加密,特別是葉輪區(qū)域,總網格節(jié)點數量約為82萬個,用標準κ-ε模型,計算相同條件下的三折葉開啟渦輪槳(θ=24°)模型,計算得到的功率準數NＰ=0.330。原網格節(jié)點數約為53萬個,計算所得到的功率準數NＰ=0.327,兩者相差不大。所以,原網格數量已經足夠大,再增加網格數量對功率準數和功率的計算結果影響不大,反而會增加計算時間。3槳型葉開啟動力學裝置利用CFD軟件對頂進式攪拌槽內流場特性及功率進行數值