CFD在精馏分离中的应用_王立成.pdfVIP

化 工 进 展 2009 年第28 卷增刊 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·351 · CFD 在精馏分离中的应用 1 3 2 1,2 王立成 ，王晓玲 ，刘雪艳 ，李鑫钢 1 2 3 （天津大学化工学院，天津 300072 ； 精馏技术国家工程研究中心，天津 300072 ； 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间的相互作用，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 [1] 。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 [6-7] 年来，随着计算机技术和流体力学的发展，基于理 流模型、混合模型和双流体模型 。 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[8]提出的改进k-ε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 塔板混合模型把气液两相作为均相整体考虑， [3] 流动系统的有力工具 。 增加了动量源项和气相扩散方程，同时考虑了两相 间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[9]利用混合模型理论计 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