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下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟

2020-01-01 来源:易榕旅网
8 CHEMICAL ENGINEERD G DESIGN 下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟 党慧丽 杨雪峰一 陈韶华 四川大学化学工程学院成都610064 摘要 本文用STAR—CCM+软件研究下喷式液气喷射器内的流体力学。结果表明,混合管直径一定,随 面积比的增加,混合管入口的压力先增高后减低,空气抽吸量存在一个最大值,此时对应面积比约为4。在模拟 的喉径比范围内,混合管人口处的压力较低,但存在一个最大的压力降,对应喉管长度为0,空气抽吸量随喉径 比而变,也存在一个最大值。喷射器结构参数一定,空气抽吸量和混合管压力降随喷嘴速度的增高而增加。 关键词液气喷射器数值计算STAR—CCM+ 作为一种气液传质设备,喷射器与传统的设 备相比具有传质效率高、结构简单和经济实用的 优点。液气喷射器无运动部件,结构简单、工作 可靠、安装方便,广泛应用于结晶¨J、海水淡 化 和污染治理 等领域。 喷射器一般由喷嘴、吸人室、混合管、扩压 管组成。流体从喷嘴高速喷射,由于在喉管部分 直径突然缩小,使得流体速度变高,压力变低, 从而使引射流体(特别是气体)被抽人吸人室, 两种流体在t昆合管混合后经扩压管压力得到回升。 很多学者通过实验研究了喷射器的性能:Cra— mers-4 研究了喷射器混合管长度对质量传递的影 响;Kim 研究了水平放置的喷射器中工作流体的 体积流率、喷射高度、喷嘴直径对含气量的影响; Witte 首次提出了混合波的概念。 随着计算流体力学(Computational Fluid Dy— namics CFD)的发展,部分学者开始用CFD对射 流器内部流场进行数值模拟和计算 卜”】,研究液 气喷射泵的内部流动情况,并取得了很好的效果: Kandakure¨ 首次对气液喷射器的动力特征进行了 模拟,并与Bhutda and Pangarkar【13]的实验进行对 器的结构参数和操作参数。 1喷射器结构和数学模型 喷射器的结构示意见图1。 Dout.喷射器出13 LM.混合管长度 LF.扩压管长度 图1喷射器结构示意图 喷射器基本几何尺寸为喷嘴直径D =9mm, 空气进口直径D =76mm,混合管直径D = 18ram,喷射器出口直径D =30mm,混合管长度 L =70mm,扩压管长度L =200mm。为简化起 见,本文采用2D模拟。取流体流动方向为x方 向,引射流体入1:1段流速与喷嘴工作流体流速相比 较小,故将引射流体的侧向人El简化为轴向环形人 El(采用等面积原则),从而将喷射器的三维结构 转化为二维轴对称模型_】 ,采用结构网格进行划 分,网格数大约为47650,网格划分图形见图2。 比,模拟结果比较合理;Tony Utomo and Zhenhun Jin 研究了气液喷射器几何参数对进出口压力和 质量传递的影响;姚云¨ 等人对上喷式喷射器的 动力特点进行了模拟,并分析了与Kandakure实验 结果不同的原因。 本文的主要工作是用STAR.CCM+模拟一定结 L一蓉3 1本文采用STAR.CCM+软件包自带的Mixture 多相流模型,模拟中气体设为理想气体,液体为 常密度的水,湍流模型选择标准的K~8模型,壁 构尺寸的下喷式喷射器内部的流场,并优化喷射 }党慧丽:四川I大学化学工程专业在读硕士研究生。研究方向为传质与分离。联系电话: (028)85406869,E—mail:danff hl @163.com。 { 杨雪峰:通讯作者,副教授。联系电话:(028)85990908,E—mail:yangbras@SCU.edu.all-。 党慧丽等 下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟 9 面采用标准壁面法,相间滑移速度选择1996年 Manninen等Ⅲ 建立的代数模型。 边界条件:喷嘴进口设为速度进口,空气环 采用二阶迎风格式离散,体积分数采用Quick格式 离散,压力一速度耦合项采用SIMPLE方案。以下 结果均考虑了网格无关性,模拟以各方程的残差 达到l0~,空气抽吸量一百步内变化小于0.001 隙进口为压力进口,设为0Pa(G)的常压,出口 与大气相通,设为0Pa(G)的常压。为了确保收 敛精度,动量方程、湍动能、湍动能耗散率方程 为终点。 模拟的结构参数和操作参数见表1。 表I 模拟的结构参数和操作参数 2模拟结果与分析 2.1面积比的影响 与进口速度的差值见图4。 从图4中可以看出,混合管段水的速度的变化 很小,而空气的速度变化很大,故混合管的压力 降主要是由空气速度变化引起的,静压也可以认 为是空气的压力。喷嘴直径为15mm、12mm、 6mm、9mm四种情况速度差值依次减小,动量传 递量依次减小,空气静压力变化依次增大。这也 解释了图3中喷嘴直径为9mm压力降绝对值小于 喷嘴直径为6mm时的压力降绝对值。 空气抽吸量与面积比的变化见图5。 不同喷嘴直径下,喷射器中心线(即轴向) 的压力分布见图3。中心线从喷嘴顶端开始,横坐 标代表中心线离喷嘴的距离,纵坐标代表中心线 压力,喷嘴直径分别取6mm、9mm、12mm和 15mm,喷嘴速度为15m/s。 从图5可以看出,随着面积比(混合管横截 面 喷嘴横截面积)的增大,空气抽吸量并不是 一直增大,而存在一个最大值,此时对应于喷嘴 直径为9mm,D /D =2。这与文献中得出的D / D 在1.67—2.0之间一致。 2.2混合管长度的影响 图3面积比对轴向压力分布的影响 不同混合管长度下喷射器的轴向压力分布见 从图3中可以看出,在喷嘴出口处压力稍微减 低,之后保持常数,直到进人混合管静压力突然 降低,从扩压管段,静压力逐渐上升。从图中还 图6。中心线从喷嘴出口开始,横坐标为距喷嘴的 距离(m),纵坐标为压力(Pa)。在喷嘴速度为 15m/s,喷嘴直径为9ram,混合管直径为18mm条 可以看出在混合管长度和直径保持不变的情况下, 随着喷嘴直径变大,混合管的压降也增大,这是 因为对于直径较大的喷嘴喷出的液体面积较大, 在混合管部位,空气的流通面积就会减小,从而 导致空气的抽吸量下降,在相同喷速下,直径大 的喷嘴喷出的液体质量大,动能大,而在混合管 部位因有少量空气可以通过,故传递给空气的动 量小,压降要大些。}昆合管内空气和水出口速度 件下,分别计算混合管长度为0mm、30mm、 50mm、70mm和100mm五种情况压力分布情况。 从图6可以看出,喷嘴出口产生突然压降,然 后静压保持常数,}昆合管人口处的压降随着混合 管长度先增加后减小。图中的五种}昆合管情况, 喉管长度L /D =0时压降最大,其次为喉径比为 2.8、3.9、5.6、1.7,而对应的空气抽吸量中喉管 长度为0时最大,为0.0047kg/s,见图7。 10 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2011,21(2) Vclocity(n1/s) (b) Velocity(m/s) V eIocity(m/s) (c) (d) 图4混合管出口与入口速度差值分布 况喷射器结构存在一个突变,使得能量损耗较有 混合管时要大得多。 空气抽吸量与混合管长度比的关系见图7。 图5 空气抽吸量与面积比的关系 mix tube length/dlam elel "图7 空气抽吸量与混合管长度比的关系 从图7可以看出,当混合管长度为0,即无混 合管时空气抽吸量最大,随着混合管长度的增加, 空气抽吸量先升后降,在混合管长度为70mm时存 在一个最大值。在无混合管情况下,因工作流体 和引射流体混合时间太短,对传热、传质不利, 图6不同混合管长度下轴向压力分布 所以在实际设计上应用价值不大。若混合管过长, 虽然两种流体可以充分混合,但扩压管中的流体 可能返混到混合管,导致传热、传质效率下降。 比较合理的混合管长度比为L /D =3.9。 2.3喷嘴速度的影响 这与姚云¨ 得出的结论不同,原因是姚云模 拟的是上喷式喷射器,采取的空气进口方式也不 相同。从扩压管压力恢复情况来看,随着混合管 长度的增加,压力的恢复越来越慢,但是混合管 设备尺寸一定,不同喷嘴速度下轴向压力分 布情况见图8。D 为9mm,喷嘴速度依次为5 m/ S、10 m/s、15 m/s、20 m/s、23 m/s和25m/s。 长度为0时比混合管长度为30 mm时恢复得还慢, 从能量损耗分析来看,主要是因为无混合管的情 党慧丽等 下喷式液气喷射器内流体力学的数值模拟 图8不同流速下轴向压力分布 从图8可以看出,在喷嘴出口压力稍微偏高, 这是由于水从喷嘴喷出,流通面积突然增大,水 流速减低,水压瞬间变大,而吸人室内空气的压 力变化很小。而在混合管人口处压力同时开始减 小,并且随着喷嘴速度的增加,混合管处空气的 压降增大,这是因为随着喷嘴水流速的增高,工 作流体的动能增大,可用于水与空气的动量传递 量增大,空气的抽吸量增加,见图9。 图9空气抽吸量与喷嘴速度的关系 从模拟的数据分析可以看出,在混合管部位 水流的速度变化很小,而空气密度较小而易压缩, 水流速的变化引起的空气速度变化更大,从而得 出随着喷嘴速度的增高,空气的静压变高。而在 扩压管压力开始上升,这是以牺牲速度为代价。 2.4模拟结果与文献实验结果的比较 由于模拟在比较理想的条件下进行,计算得 到的空气抽吸量较相关文献中的结果要偏高一些, 但趋势一致。 3 结语 (1)本文用流体力学软件STAR.CCM+对下 喷式喷射器内的流体力学特征进行了数值模拟, 分别计算了不同喷嘴尺寸、混合管长度、喷嘴速 度对混合管压力以及空气抽吸量的影响,并通过 提取数据分析了混合管人口气液两相速度变化对 喷射器性能的影响。 (2)对本文研究的特定结构的喷射器,得出 喷嘴速度在15m/s时,面积比为4时空气抽吸量最 大;当喷嘴直径不变,混合管长度比约为3.9时对 应的空气抽吸量大。喷射器几何参数一定情况下, 空气抽吸量和混合管压降随着喷嘴速度的增加而 增大。 参考文献 l Matynia A.The Influence of a Constructional Solution of the Crystallizer with a Jet Pump on Crystal Attirtion[J].Chem. Eng.,Teacnol,2005,28(7):822—830. 2 Senthil Kumar R,Kumaraswamy S.Experimental Investigations on a Two—phase Jet Pump Used in Desalination Systems[J]. 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(下转第l5页) 刘春明等 高压酸性天然气脱CO 工艺探讨 表5运行能耗和物耗对比 15 步减少了设备投资费用。 4.3.5评价 一NHD脱碳装置采用后置脱碳,即对脱水和脱 烃后的低温干气进行脱碳,低温促进脱碳,脱烃 后干气能够有效减少烃类气体溶解损失。 DEA溶液脱碳净化程度较高,溶液循环量也 明显低于NHD溶液,但溶液易污染并易出现发泡 问题。NHD法虽然净化精度不高,但NHD溶剂脱 从运行管理及维护上看,NHD工艺流程简单、 易于操控,适应性强,溶剂安全、无毒,性质稳 碳只需满足商品天然气要求即可,无需深度脱碳。 NHD脱碳装置费用仅相当于DEA脱碳装置的 1/3,而NHD溶剂费用却相当于DEA溶剂的4倍, 可见NHD脱碳工艺的投资重点在溶剂购置费用上。 DEA溶液存在降解和发泡要定期更换的问题, NHD溶剂性质稳定。长远看采用NHD溶剂还是有 利的。 定、运行周期长,不存在腐蚀、溶剂变质等问题。 同时,该工程NHD脱碳塔操作压力较低、无需再 生塔及加热热源,这在投资及运行上具有明显 优势。 4.3.4设备及投资 设备及投资对比见表6。 表6设备及投资对比 NHD脱碳主要问题:①溶剂循环量大;②净 化程度不高;③有一定的烃损失,对含重烃量高 的天然气脱碳不利。 无 前置分离器 脱碳塔 闪蒸塔 再生装置 冷换设备 1座(高压) l座(高压) 1座 再生塔l座 3座 1座(中压) 2座(高压1座、中压1座) 闪蒸罐1座 2座 5 结语 综上所述,该工程NHD脱碳工艺除溶剂费用 及cO:净化程度不如常规DEA脱碳工艺外,其它 如装置费用、运行能耗、管理维护和职业卫生等 方面均有比较明显的优势。NHD溶剂脱硫、脱碳 是一种在天然气净化工艺中值得推广的新方法。 参考文献 循环压缩机组液力透平机 提升泵 高压1套(10MPa) 无 1座(高压) 不锈钢 中压1套(6.4MPa) 2套 3座(中、低压) 碳钢 220o 】2oo 设备及管啪发材 装置费用,万元 溶剂费用,万元 7200 300 1 Cral G.Swanson,Jr.用SELEXOL溶剂脱除二氧化碳工艺 从设备及投资对比可以看出,DEA脱碳采用 的新发展[J].美国国家能源期刊,1994,49(8):33. 2李正西.聚乙二醇二甲醚的合成、应用及市场分析[J]. 贵州化工,2003,28(2):6. 前置脱碳、高压设备及不锈钢材料制造,其设备 投资费用及制作难度显著增加,大幅高于NHD脱 碳装置,且NHD脱碳中压循环压缩机组可与天然 气脱水、脱烃工艺富气压缩机采用同一机组,进 3何生厚.高含硫化氢和二氧化碳天然气田开发工程技术 [M].北京:中国石化出版社. (收稿日期2010—10—28) (上接第11页) 17 Manninen M,Taivassalo V and Kallio S.On the Mixture Model Column with a Gas—suction—type Simultaneous Gas-liquid Injec・ for Multiphase Flow[M].Technical Research Center of Fin・ land,1996. 18 Bando Y,Kuraishi M,et a1.The Characteristics of a Bubble tion-nozzle[J].International Chemicla Engineeirng,1990, 30:729—737. (收稿日期2011—02-23) 

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