氨氣化學吸收過程氣液兩相流的數值模擬

張海亮，鄭曉明，何小榮

(蘭州石化職業技術學院 石油化學工程學院，甘肅 蘭州 730060)

氨氣是尿素醇解法(尿素與乙二醇的酯化)制備碳酸乙烯酯(重要的精細化工中間體)反應的副產物[1]。工業生產中，常將氨氣在鼓泡塔中通過磷酸的化學吸收而除去，以推動正反應進行，達到提高主產物碳酸乙烯酯收率的目的[2]。因氨氣與磷酸的反應速率極快，因此，該化學吸收過程受NH3向磷酸的傳質過程控制，強化傳質是提高NH3吸收效率的關鍵。工業上常采用強烈的機械攪拌，起到強化傳質過程的作用，其原因是攪拌能增大氣液兩相的湍動度，并且能夠拉伸、分解氣液相界面，從而增大相界面積，使等量氣體在盡可能短的時間內進入相界面參與傳質。

NH3在吸收塔內的鼓泡吸收過程是典型的氣液兩相流動過程。計算流體動力學 (Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是氣液兩相流問題的重要研究方法，其實質是通過求解質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等流體力學的基本控制方程[3]，從數值模擬的角度來實現對流體流動及傳質傳熱特征的研究。本文應用CFD商用軟件FLUENT6.3，對攪拌條件下NH3在磷酸中鼓泡吸收的氣液兩相流過程及吸收傳遞特性進行了數值模擬，為NH3化學吸收效率的強化提高提供了理論研究依據。

模擬計算過程分兩步進行：

(1)應用多重參考系(MRF)模型[4]模擬得到攪拌吸收過程的三維流場。

(2)通過加載固定值邊界條件的UDF(User Defined Function)程序，建立等同于三維流場值的準三維初始流場。在準三維流場下，應用流體體積函數(VOF)多相流模型[5]，并加載傳質及非均相反應UDF程序，來模擬NH3的鼓泡吸收過程。

1 三維流場模擬

1.1 計算區域物理模型

攪拌吸收裝置假設為圓柱形槽體。攪拌吸收槽D×H=200mm×250mm；攪拌軸直徑15mm，高200mm，末端距槽底50mm，槳葉四片，長寬高分別為35mm、15mm、4mm，每個葉片相對于攪拌軸的軸對稱平面傾斜45°。槳葉轉動作用下三維流場的模擬用MRF多重參考系法，這種方法需要將計算區域劃分為轉動部分和靜止部分[6]。轉動部分是包括槳葉區域附近的一個小圓柱體，其高和半徑均為70mm，其余區域即是靜止部分。計算域的網格劃分使用Gambit軟件完成，采用TGrid-Tet/Hybrid混合網格[7]。網格劃分如圖1所示。

圖1 NH3鼓泡攪拌吸收裝置三維物理模型的網格劃分

1.2 三維流場的模擬結果

設置攪拌軸的轉速為420rad/min，計算得到吸收裝置內的流場如圖2所示。圖中給出了吸收裝置不同橫截面上的流場形態。

從圖2的速度矢量分布圖可以看出，以槳葉轉動區域為中心，吸收槽內的液相流體形成了一個逆時針流動的大漩渦流，其中槳葉區附近的流速較大，在0.2m/s以上，最大流速出現在槳葉頂端。液相主體在槳葉的帶動下整體不斷地湍動。從圖2中的壓力分布圖可以看出，槳葉正面區域和背面區域有著很明顯的壓力差異，其中槳葉正面區域為較高的正壓力區，背面區域為負壓力區。就整體流場的壓力分布而言，攪拌軸附近區域的壓力較低、甚至呈負壓狀態，隨著半徑的增大流場內的壓力分布也逐漸升高。

(a) 過槳葉中心橫截面上的速度矢量分布 (b) 過槳葉中心橫截面上的壓力分布

2 NH3鼓泡吸收過程氣液兩相流的準三維模擬

2.1 準三維初始流場的建立

要想在三維模型中模擬單個氣泡的變化，運算量非常大。為提高計算效率，同時又能夠應用三維模擬的結果來計算氣泡變化，采用基于三維模擬計算的準三維模型[8]。其做法是，從三維模型中抽取一個有代表性的二維豎直截面，另加載固定值邊界條件，計算得該平面的流場分布；在此基礎上應用VOF模型追蹤氣液兩相的界面在該二維流場中的變化，最終得到氣泡與流場相互作用的結果。因為除攪拌軸區域外，吸收裝置基本上是一個軸對稱體系，所以在此只選用了二分之一截面作為計算區域。該區域分為槳葉區和外圍區，其中槳葉區賦以邊界條件，包括初始的速度和湍流值[6]。計算收斂得到的穩態準三維流場如圖3所示。這個流場就是接下來氣泡流動非穩態模擬所用的初始流場。

與圖2中三維流場豎直截面的速度分布相比較，可以看出其分布和數值都是基本一致的，即槳葉上下區域各有一個漩渦流，上方漩渦強于下方漩渦，槳葉區的速度在0.2m/s以上，流場的速度最大值在槳葉頂端處取得，并且流場整體的流向也與三維模擬所得結果一致。這就是轉速420rad/min的條件下所得到的旋轉流場。這一切充分說明應用此準三維流場模擬吸收裝置中氣液兩相流傳質及反應的可行性。

2.2 NH3鼓泡吸收過程的模擬及結果分析

以上述準三維流場作為氣泡非穩態模擬的初始流場，應用VOF模型模擬追蹤氣液界面變化的過程，同時加載傳質及非均相反應UDF程序。迭代的時間步長取0.0001s，過程持續0.6s(600ms)，每10ms記錄一次氣泡計算結果。計算所得的氣液相體積分數等值線如圖4。圖中分別給出了t=0ms，50ms，110ms，150ms何200ms時刻的氣泡，氣泡初始半徑為5mm。

(a) 準三維流場的速度矢量分布 (b) 準三維流場的速度等值線分布

圖4 攪拌吸收條件下不同時刻NH3的體積分數等值線及氣泡形狀(氣泡初始半徑5mm)

圖中紅色區域為磷酸液相主體，初始時刻氣泡自槳葉上方進入流場中參與反應吸收過程(圖4a)。氣泡鼓入后，首先進入槳葉區，在槳葉強烈的湍動作用下，氣泡在傳質的同時被拉伸、破裂，并隨槳葉區下方的逆時針漩渦流而呈流線運動，相界面積大幅增加，NH3吸收速率加快(圖4b)。破裂后的成串氣泡處在槳葉區上方，因這里也存在一個逆時針的強漩渦流，成串的小氣泡在這一渦流帶動下繼續運動，并開始沿渦流流線逐漸散開，直至最后呈不規則的分散狀(圖4c,d)。整個過程中NH3氣相始終在發生傳質和反應吸收的作用，所以氣泡的體積一直在不斷縮小。最終，經歷約200ms的時間后，整個氣泡被吸收殆盡(圖4e)。

從圖4可以很直觀地觀察到NH3氣泡在強湍流作用下被拉伸直至破裂的過程。兩相流動的湍動程度因漩渦流的存在而提高，氣液相界面積隨氣泡的拉伸破碎而不斷增大，使NH3的吸收得到強化。

3 結論

應用計算流體動力學的方法，對NH3(尿素醇解法合成碳酸乙烯酯的副產物)在磷酸中化學吸收的氣液兩相流過程進行了數值模擬研究。結果表明，在強烈機械攪拌下進行鼓泡吸收時，NH3氣泡不斷進行旋轉渦流運動，氣液兩相流的湍動強度顯著增大；并且，在強湍動流場的作用下，單個氣泡被拉伸變形成條帶狀以致最終破碎成多個更小的氣泡，氣液相界面積大幅增加，NH3的傳質速率大大加快。這兩方面因素的作用使得NH3氣泡的體積迅速消失，NH3的化學吸收得到強化。