CFD在精馏分离中应用.pdfVIP

化 工 进 展 2009年第28卷增刊 CHE§舡CALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS ·351· CFD在精馏分离中的应用 王立成1，王晓玲3，刘雪艳2，李鑫钢1’2 (1天津大学化工学院，天津300072；2精馏技术国家工程研究中心，天津300072；3中国石油化工股份有限公 司茂名分公司，广东茂名525011) 摘要：计算流体力学(CFD)是研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具。本文介绍了板式塔和填料塔内 气液流动状况，塔板上和填料层的流体力学模型，论述了国内外CFD技术在精馏塔流场模拟方面的应用，指出了 CFD技术在精馏领域的发展方向，对于板式塔，应充分考虑气液两相问的相互作用，对于填料塔，应根据填料的 具体形状建立每个孔道的流体力学方程，进行更接近实际的三维两相流模拟． 关键词：CFD；精馏；板式塔；填料塔 精馏是将由挥发度不同的组分组成的混合液在 塔板流到下层塔板，分离出所夹带的少量气泡，气 精馏塔中同时多次地进行部分气化和冷凝，使其分 体返回至板面上，同时，气体从下层塔板进入板面， 离成几乎纯态组分的过程。精馏塔是一种重要的气 通过液层鼓泡而出，离开液面时带出一些小液滴。 液和液液传质设备，广泛应用于化工、石油、环保、 精馏塔板上的流动由于气体的搅动，形成极其复杂 冶金等领域，通常分为板式塔和填料塔【l】。过去精 的两相流动，同时还存在滞留区或回流区，增加了 馏塔的设计主要依靠传统化工技术，设计费用高、 研究板上流体力学的难度。现在，人们研究塔板上 耗时长、风险大、不能实现智能化和可视化【2】。近 流体的模型很多，按照模拟流体的不同，分为单相 年来，随着计算机技术和流体力学的发展，基于理 流模型、混合模犁和双流体模型¨J。 论的工艺设计和开发创新成为精馏塔设计的发展方 单相流模型把塔板上的气液两相流简化为单相 向，取得了重大的研究成果，使精馏塔的设计更加 即液相流处理，方程简单，计算方便，适用于对复 合理、高效。 杂流体的估算。该模型以二维稳态模型为主，与实 计算流体力学(CFD)是流体力学的一个分支，际塔板上的非稳态三维流动出入较大。目前，较为 是以动量、能量、质量守恒方程为基础，预测动量、 成功的单相流模型是刘春江瞄J提出的改进忌嵋模型， 热量和质量传递、化学反应以及相应物理传递过程， 该模型考虑了气相对液相流动的气体阻力和鼓动作 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理 用，并根据实验结果确定鼓动生成系数的值，建立 论等领域的交叉学科。与传统方法相比，CFD具有 了更为准确的二维流体力学模型，但返流区的模拟 资金投入少，设计速度快，信息完备，仿真能力强 值与实验值仍有差距。 的优点，从而使CFD成为研究流体现象，设计各种 塔板混合模犁把气液两相作为均相整体考虑， 流动系统的有力工具13J。 增加了动量源项和气相扩散方程，同时考虑了两相 问相互作用及表面张力的影响，比双流体模型简单， 1板式塔 在工程中用途广泛。王晓玲一J利用混合模犁理论计 板式塔是逐级接触式的气液传质设备，空塔气 算了筛板上三维流场分布，计算结果与实验测量基 速高，生产能力大，塔板效率稳定，在工业上广泛 本吻合，但由于进口流速和边界条件选取有偏差， 采用，对于大塔径，多侧线气液传质设备，板式塔 塔板返流区与弓形区未能得到很好的模拟。 具有较大优势【4