煙氣脫硫過(guò)程中固液兩相流流場(chǎng)數(shù)值模擬

煙氣脫硫過(guò)程中固液兩相流流場(chǎng)數(shù)值模擬

近年來(lái)，計(jì)算流量控制（cpd）的發(fā)展為優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化。利用CFD技術(shù)對(duì)攪拌槽進(jìn)行數(shù)值模擬,不受試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)規(guī)模、試驗(yàn)成本及試驗(yàn)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(fù)雜的多［１－４］。煙氣脫硫過(guò)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(jìn)式攪拌器。頂進(jìn)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(nèi)配有漿液泵,若漿液濃度過(guò)高,對(duì)泵磨損增大,影響其使用壽命,故對(duì)漿液箱內(nèi)固液懸浮要求較高。在固液懸浮混合均勻的同時(shí),節(jié)能降耗是必需的,因此對(duì)漿液箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化非常重要。采用CFD軟件對(duì)某公司提供的煙氣脫硫漿液箱的模型及工況參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,分別從攪拌器類型和擋板數(shù)兩方面對(duì)漿液箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)不同槳型的流場(chǎng)和攪拌功率進(jìn)行對(duì)比分析,確定最佳工況;同時(shí)研究了擋板的設(shè)置對(duì)攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)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(zhuǎn)速n計(jì)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(chǔ)存或倒換漿液)為例,結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌槽為平底,直徑d=13m,液位高h(yuǎn)=11.8m,攪拌器離底高度l=2.4m。槽內(nèi)均勻分布6塊擋板。介質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)速n=20r/min。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,對(duì)攪拌軸、葉片等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,網(wǎng)格總數(shù)約為53萬(wàn),如圖2所示。1.2槳葉旋轉(zhuǎn)軸位置的控制設(shè)液相為連續(xù)相,固體顆粒為分散相,計(jì)算中假設(shè)固、液兩相間無(wú)質(zhì)量交換［５］。采用多重參考(MRF)［６］處理運(yùn)動(dòng)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(nèi)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,其他區(qū)域采用固定坐標(biāo)系處理旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的關(guān)系。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型,標(biāo)準(zhǔn)壓力-速度耦合采用SEMPLE算法,一階迎風(fēng)差分格式,計(jì)算殘差設(shè)定為1×10－３。監(jiān)測(cè)速度和攪拌軸扭矩,且當(dāng)所檢測(cè)變量恒定時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。2結(jié)果與分析攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)分布受多種因素影響。模擬中,采用單獨(dú)改變一種因素的方法分析各個(gè)因素對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和功率消耗的影響。2.1不同槳型條件下流場(chǎng)對(duì)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(jié)構(gòu)如圖3所示,分別考察其在攪拌槽中的流場(chǎng)。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(jìn)式攪拌部件為主的一種攪拌器,在攪拌時(shí)有較高的旋轉(zhuǎn)速度,能迫使物料沿軸向運(yùn)動(dòng),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(biāo)尺下的流場(chǎng)。由圖4看出:其他條件相同時(shí),3種槳型的流場(chǎng)基本相同,都是在槳葉外側(cè)部分形成一個(gè)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(dòng),到達(dá)底面處向壁面流動(dòng),然后經(jīng)壁面向上流動(dòng),從而形成一個(gè)在槳葉外側(cè)的渦流,帶動(dòng)流體流動(dòng),帶給流體更多的湍動(dòng)能,使底部流體流動(dòng)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(dòng)能也較a和b的強(qiáng)烈。為了進(jìn)一步分析流場(chǎng)中的速度分布及不同槳型對(duì)流場(chǎng)的影響,在穩(wěn)定流場(chǎng)中,繪制在改變槳型條件下整個(gè)攪拌槽在γ=0.25d處Z軸方向上的速度分布,結(jié)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(dá)到最大值,說(shuō)明該處流體有漩渦存在,由槽體下部形成的大循環(huán)流動(dòng)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(dá)液面處才趨于零。單從速度大小來(lái)說(shuō),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(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)變化數(shù)值模擬的驗(yàn)證攪拌功率P=2πnM=Mω,M為扭矩,ω為角速度。通過(guò)數(shù)值模擬可得到攪拌器的扭矩,進(jìn)而求得功率大小。攪拌功率的理論計(jì)算公式為功率準(zhǔn)數(shù)Nｐ［８］與雷諾數(shù)有關(guān)。計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知,模擬值比理論計(jì)算值偏小,這是由于所計(jì)算的模型是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化而來(lái)所造成的。數(shù)值模擬采用的模型為理想模型,攪拌槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)假設(shè)各向同性,而實(shí)際中攪拌槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)為各向異性。對(duì)于三窄葉旋槳式攪拌槳,由于為新型攪拌槳,功率準(zhǔn)數(shù)尚無(wú)成熟計(jì)算公式,根據(jù)相似原理,在強(qiáng)湍流、且有擋板情況下,功率準(zhǔn)數(shù)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(jìn)式,故按三葉推進(jìn)式功率準(zhǔn)數(shù)計(jì)算?？偟膩?lái)看,數(shù)值模擬所得到的功率還是比較準(zhǔn)確的,斜槳式和三折葉開啟渦輪式的數(shù)值模擬值與理論計(jì)算值的誤差在15%以內(nèi)。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(jié)合流場(chǎng)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(dòng)態(tài)的體積分?jǐn)?shù)分布對(duì)于低黏度介質(zhì),擋板的作用是使槽內(nèi)流體在攪拌器攪拌作用下,消除攪拌槽中央的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”,并能產(chǎn)生上下翻騰的流動(dòng),改變流動(dòng)狀態(tài)。擋板的設(shè)置對(duì)混合效果影響很大。擋板數(shù)nｂ為0、3、6,均為均勻分布,擋板寬度wｂ=1.2m,擋板數(shù)nｂ=6時(shí)為全擋板。圖6為三折葉開啟渦輪槳在不同擋板數(shù)下不同軸向位置監(jiān)測(cè)面上的固體平均體積分?jǐn)?shù)分布。從圖6看出:在軸向高度小于7m時(shí),固體平均體積分?jǐn)?shù)基本為30%,說(shuō)明擋板在該區(qū)域?qū)ΡO(jiān)測(cè)面上的固體平均體積分?jǐn)?shù)影響不大。在軸向高度大于7m后,擋板對(duì)固體平均體積分?jǐn)?shù)分布影響顯著:無(wú)擋板時(shí),監(jiān)測(cè)面上固體平均體積分?jǐn)?shù)迅速減小,而3擋板和6擋板下固體平均體積分?jǐn)?shù)僅稍有減少,說(shuō)明在該工況下,應(yīng)該設(shè)置擋板來(lái)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(shí)固體平均體積分?jǐn)?shù)下降的較6擋板時(shí)快,并且在液面附近,3擋板時(shí)固體平均體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6擋板時(shí),而6擋板時(shí)固體平均體積分?jǐn)?shù)下降僅3%左右,說(shuō)明該工況下應(yīng)當(dāng)設(shè)置全擋板,這與文獻(xiàn)中對(duì)擋板的設(shè)置相驗(yàn)證。2.4折葉開啟動(dòng)力學(xué)模型將攪拌槽內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)加密,特別是葉輪區(qū)域,總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量約為82萬(wàn)個(gè),用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型,計(jì)算相同條件下的三折葉開啟渦輪槳(θ=24°)模型,計(jì)算得到的功率準(zhǔn)數(shù)NＰ=0.330。原網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為53萬(wàn)個(gè),計(jì)算所得到的功率準(zhǔn)數(shù)NＰ=0.327,兩者相差不大。所以,原網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)足夠大,再增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)和功率的計(jì)算結(jié)果影響不大,反而會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。3槳型葉開啟動(dòng)力學(xué)裝置利用CFD軟件對(duì)頂進(jìn)式攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)特性及功率進(jìn)行數(shù)值