傾斜塔板漏液的三維數值模擬及實驗

張平 王學平 李雅俠

摘 ? ? ?要：塔體受到橫向載荷作用，板式塔的塔板傾斜，塔板上液層出現非等高。在冷模試驗塔裝置中以空氣-水為實驗介質，對傾斜塔板的漏液性能進行了實驗研究。實驗表明，塔板傾斜方向與液相流動方向相同時，傾斜塔板漏液小于水平塔板，傾角越大漏液越少，塔板氣相操作下限減小;塔板傾斜方向與液相流動方向相反時，傾斜塔板漏液大于水平塔板，傾角越大漏液越多，塔板氣相操作下限增大。利用計算流體力學的雙歐拉模型對傾斜塔板的漏液狀態進行了三維數值模擬，模擬結果同實驗結果吻合較好。模擬結果顯示，傾斜塔板在液層非等高剖面上發生不均勻漏液，傾角大的塔板在液層薄的區域發生氣相溝流現象。

關 ?鍵 ?詞：計算流體力學;漏液;數值模擬;氣含率;傾斜塔板

中圖分類號：TQ053.5 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2019）12-2875-04

Abstract： The tray of the plate tower was inclined and the liquid layer on the tray was non-equal when the tower body was subjected to lateral load. Weeping of inclined trays was studied experimentally using air-water as experimental medium in cold model test tower. The results showed that the weeping of the inclined tray was smaller than that of the horizontal tray， the weeping of tray reduced with the increase of inclination angle and the lower limit of gas phase operation of tray decreased when the inclined direction of the tray was the same as the liquid flow direction. The weeping of the inclined tray was larger than that of the horizontal tray; the larger the inclination angle， the more the weeping， and the lower limit of gas phase operation of tray was increased when the inclination direction of the tray was opposite to the direction of liquid flow. The two-Euler model of computational fluid dynamics （CFD） was used to simulate the weeping of inclined trays. The simulation results were in good agreement with the experimental results. The simulation results indicated that uneven weeping occurred on non-contour profiles in the inclined tray. Gas phase channeling appeared in the region of thin liquid layer with large inclination tray.

Key words： Computational fluid dynamics; Weeping; Numerical simulation; Gas holdup; Inclined tray

板式塔在操作狀態時，塔板上存留一定高度的液層，塔體受到橫向載荷發生撓曲時，塔板上液層在液體流動方向上出現不等高[1]。塔頂撓曲最大，液層非等高從塔底開始向上逐層加劇。張平[2]研究了這種液層不等高對塔板流場的影響，發現塔板回流區位置發生了改變。均勻氣相通過非等高的液層時，液層厚的區域比液層薄的區域更易發生漏液，造成了塔板沿液體流動方向發生不均勻漏液。塔板漏液是一種導致塔板效率降低的縱向返混現象，實驗證明，塔板漏液不均勻分布對塔板效率有很大影響[3]趙培等[4]用實驗方法研究了十字旋閥塔板的漏液性能，獲得了十字旋閥塔板漏液點孔速的關聯式。劉靜[5]以泡罩立體篩板為研究對象得到漏液點氣速與堰高和液體流量的關系。在0.5m×0.5m的矩形篩孔塔板的漏液操作狀態的CFD模擬中，孫玉春[6]進行了初步的嘗試，模擬結果與L&B方法[7]的計算結果基本吻合。Ali[8，9]利用歐拉-歐拉雙流體模型數值模擬了矩形塔板和圓形塔板的干板壓降和塔板漏液，模擬結果與實驗結果基本一致。

以上研究者對塔板漏液的研究，都認為塔板是水平的。由于塔體受到風載荷等橫向載荷作用，傾斜塔板上產生非等高的液層，如圖1所示。

本文采用能改變塔板傾斜角度的實驗塔裝置，利用水-空氣為實驗操作介質，測定了不同溢流強度、不同塔板傾角下，漏液隨空塔氣速不同的變化量。利用歐拉-歐拉雙流體方法中標準k-ε湍流模型，對傾斜塔板在漏液狀態下的狀況進行了數值模擬，探索了傾斜塔板沿液相流動方向不均勻漏液的分布情況。

1 ?實驗塔裝置及測定方法

1.1 ?實驗裝置

測量傾斜塔板漏液的冷模實驗塔裝置的結構示意圖如圖2所示。

實驗塔與底座利用螺栓連接，實驗塔兩側各有一個調節螺釘，可以改變塔體傾斜角度。試驗中，空氣首先由氣泵輸送，由轉子流量計測速后由塔底進入塔內，自下而上通過塔中的各層塔板;同時水箱中的水由水泵加壓輸送，經轉子流量計測速后從塔頂注入塔內，氣液兩相在塔板上接觸，空氣繼續上升從塔頂排空。實驗裝置中用于測定漏液的傾斜塔板的結構尺寸如表1所示。

1.2 ?實驗步驟

實驗前，將塔體左右兩側的調節螺釘調到同一高度，然后調高左側的螺釘，使塔體向右傾斜，使測定塔板的傾斜方向與液相流動方向相反。記錄螺釘的調整高度，塔底收集漏液的閥門處于打開狀態。試驗塔正常操作開始后，保持液相流量和塔板傾角不變，降低氣泵流量，使塔板產生漏液，關閉塔底收集漏液的閥門，2 min后打開收集漏液閥門，計量漏液的體積。保持塔板漏液狀態及塔板傾角不變的情況下，改變液相流量，測量漏液。在氣相和液相流量都不變的情況下，調節螺釘的高度，改變塔板的傾角，測量漏液。

2 ?CFD數值模擬

2.1 ?數學模型

當氣相以一定速度通過塔板上一定厚度的液層時，氣液兩相是互相貫穿的連續介質，故選用歐拉-歐拉方法，采用標準k-ε湍流模型封閉連續方程和動量方程。

2.2 ?網格劃分及邊界條件

冷模試驗塔的塔板直徑為380 mm，可以忽略液面落差的影響，故傾斜塔板數值模擬沒有設定液體入口和液體出口，模擬時塔板上方“PATCH”一定高度的水相。傾斜塔板的計算模型及邊界條件如圖3所示，X軸方向代表冷模試驗塔液相流動方向。

為了與實驗對比，模擬塔板的結構尺寸與表1相同，塔板上高度為150 mm，塔板下高度為50 mm。模型利用FLUENT軟件進行數值模擬，采用非結構六面體貼體網格。經過網格無關性檢驗，最后確定X軸方向、Y軸方向的網格大小為2 mm，Z軸方向的網格大小為5 mm。篩孔處的網格進行了細化，網格尺寸最大為1.5 mm，整個計算域的網格總數大約為140萬左右。采用空氣和水為模擬工作介質，氣體入口采用速度入口邊界條件，壓力出口作為氣體出口的邊界條件，出口靜壓為0，無滑移壁面邊界作為壁面條件。

2.3 ?數值模擬過程

SIMPLEC算法應用到壓力-速度耦合方程中，動量、湍動能和湍動耗散率方程的離散都采用二階迎風格式，計算精度為10-3。模擬開始時，計算域的空氣體積分率為1，即全部為空氣，然后在塔板上方賦予一定高度的水，然后從氣體入口開始計算。監測氣體注入的時間，提取塔板下部的液相體積分率，同時提取篩孔處液相的質量流率。

3 ?結果和討論

3.1 ?傾斜塔板漏液的實驗結果

在塔板溢流強度Lw=1.62×10-3m3·s-1·m-1時，塔板漏液量隨空塔氣速動能因子變化曲線如圖4所示，圖4（a）表示塔板傾斜方向和板上液體流動方向相同，圖4（b）表示方向相反。方向相同時，傾斜塔板漏液量小于水平塔板，傾角越大漏液量越少，傾角2?和4?塔板最大減少分別8.07%和15.07%。方向相反時，傾斜塔板漏液量大于水平塔板，傾角越大漏液量越多，傾角2?和4?塔板最大增加分別36.85%和46.81%。在FS=0.9 m·s-1（kg·m-3）0.5時，漏液量的減少變緩，這時塔板有氣相溝流現象。

為了保證板式塔的正常操作，規定塔板漏液量不能大于液相流量的10%，當溢流強度Lw=1.62×10-3 m3·s-1·m-1時，冷模塔的操作下限對應的漏液為4.16×10-2 kg·s-1，水平塔板的氣相操作下限為0.25 m·s-1。方向相同時，2°傾角塔板和4°傾角塔板氣相操作下限分別0.20和0.17 m·s-1;方向相反時，2°傾角塔板和4°傾角塔板氣相操作下限分別0.31 m·s-1和0.37 m·s-1。

FS=0.44 m·s-1（kg·m-3）0.5時，塔板漏液量隨塔板溢流強度的變化曲線如圖5所示，圖5（a）表示塔板傾斜方向和板上液體流動方向相同，圖5（b）表示方向相反?？梢钥闯?，塔板漏液量隨著溢流強度的增加而增大。方向相同時，隨著溢流強度的增加，水平塔板和傾斜塔板的漏液之差逐漸減小，方向相反時，漏液之差逐漸加大。

3.2 ?CFD模擬結果

當Fs=0.44 m?s-1（kg?m-3）0.5時，氣相注入時間t=0.5 s時，在液層非等高剖面內的漏液情況如圖6所示。圖中可以觀察到，沿塔板X軸方向，水平塔板液層等高并產生均勻漏液，傾斜塔板液層非等高發生不均勻漏液。傾角4?的塔板在液層薄的區域有氣相溝流現象。

FS=0.44 m·s-1（kg·m-3）0.5時，水平塔板漏液的CFD模擬結果同實驗和H&M[11]公式的對比如圖7所示?？梢钥闯?，CFD的模擬結果同實驗結果以及公式計算結果是基本吻合的。CFD模擬和實驗測量的結果比公式計算結果小，因為氣速增大，有一部分漏液被氣相帶回塔板。

塔板向左傾斜，FS=0.22 m·s-1（kg·m-3）0.5，Lw=1.08×10-3 m3·s-1·m-1時，沿著塔板X軸方向篩孔的漏液分布如圖8所示?？梢钥闯?，水平塔板漏液沿著X軸方向變化不大，相鄰篩孔漏液平均相差為0.51%，可以認為是均勻漏液。傾斜塔板沿著X軸方向，漏液量逐漸減小，相鄰篩孔漏液相差最小為2.56%，最大為21.56%，發生不均勻漏液。

4 ?結論

（1）塔板傾斜方向與板上液相流動方向相同時，傾斜塔板漏液量小于水平塔板，傾角越大漏液量越少，塔板氣相操作下限減小。塔板傾斜方向與板上液相流動方向相反時，傾斜塔板漏液量大于水平塔板，塔板氣相操作下限增大，傾角越大漏液量越多。

（2）傾斜塔板的漏液量隨塔板溢流強度增加而增大。隨著溢流強度的增加，出現液面落差，塔板傾斜方向與板上液相流動方向相同時，水平塔板和傾斜塔板的漏液之差逐漸減小;塔板傾斜方向與板上液相流動方向相反時，漏液之差逐漸加大。

（3）沿著液相流動方向，水平塔板基本呈均勻漏液狀態，傾斜塔板發生不均勻漏液，尤其在液層最薄處，漏液量和其它篩孔相差很大。三維數值模擬可以定量分析每個篩孔的漏液分布情況，對研究傾斜塔板的不均勻漏液有較好的實際意義。

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