田葉盛，李虎林，姜永悅，龍　磊，吉永喆，蔡　揚(yáng)

(上?；ぱ芯吭?上海穩(wěn)定同位素工程技術(shù)研究中心，上海　200062)

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穩(wěn)定同位素13C分離用高效絲網(wǎng)波紋填料表面降膜流動(dòng)研究

田葉盛，李虎林，姜永悅，龍磊，吉永喆，蔡揚(yáng)

(上海化工研究院 上海穩(wěn)定同位素工程技術(shù)研究中心，上海200062)

摘要：由于碳同位素分離系數(shù)小，分離難度大，需要采用高效規(guī)整填料實(shí)現(xiàn)13C的分離。本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬研究，采用流體體積函數(shù)(VOF)方法，研制了用于13C分離的高比表面積絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料(PACK-13C)，建立了PACK-13C填料表面伴隨有氣相逆流的局部液體降膜流動(dòng)模型，選用CO(l)-CO(g)為模擬計(jì)算物系，考察了板面結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)目數(shù)等因素對(duì)液膜流動(dòng)的影響，并對(duì)填料表面氣液相界面進(jìn)行追蹤，探究了氣液相界面波動(dòng)對(duì)傳質(zhì)效率的影響，研究表明，改善填料壁面結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)氣液相界面波動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程。填料表面局部降膜流動(dòng)的研究方法，可應(yīng)用于填料氣液傳質(zhì)過(guò)程中涉及的多尺度流動(dòng)及傳質(zhì)現(xiàn)象的可視化研究，為優(yōu)化填料結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)性理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；降膜流動(dòng)；規(guī)整填料；穩(wěn)定同位素13C

穩(wěn)定同位素13C因其具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其在醫(yī)藥學(xué)及生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，隨著13C-呼氣實(shí)驗(yàn)的研究及臨床應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)穩(wěn)定同位素13C的需求日益增大。穩(wěn)定同位素13C的分離制備方法有低溫精餾法，化學(xué)交換法，熱擴(kuò)散法，離心分離法和激光法等，但是工業(yè)化應(yīng)用的只有低溫精餾法。目前，能工業(yè)化生產(chǎn)穩(wěn)定同位素13C的有美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、日本等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，各國(guó)生產(chǎn)能力不一，無(wú)法滿足穩(wěn)定同位素13C的市場(chǎng)需求[1-2]。為打破行業(yè)技術(shù)壟斷，上海化工研究院一直致力于穩(wěn)定碳同位素的分離研究，由于碳同位素13CO和12CO分子間的相對(duì)揮發(fā)度相差很小，分離系數(shù)α約為1.007，制備高豐度碳-13需要的理論塔板數(shù)多達(dá)幾千塊，增加了碳同位素分離的工業(yè)化難度。為此，上海化工研究院自主研發(fā)了新型高比表面積絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料(PACK-13C)，有效降低了碳同位素分離的難度[3]，經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論及實(shí)驗(yàn)研究，目前已掌握低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C的產(chǎn)業(yè)化級(jí)聯(lián)工藝[4]。

在實(shí)際精餾操作中，規(guī)整填料塔內(nèi)部存在著多種尺度的流動(dòng)及傳質(zhì)現(xiàn)象，比如，規(guī)整填料表面會(huì)出現(xiàn)與塔內(nèi)件和流動(dòng)參數(shù)等相關(guān)的不同程度的大尺度溝流、返流及壁效應(yīng)與端效應(yīng)等問(wèn)題[5-7]；而在局部區(qū)域內(nèi)，填料的局部組成單元會(huì)出現(xiàn)液體降膜流動(dòng)、局部氣相返混及局部液泛等。這些不同尺度的流體流動(dòng)行為在不同區(qū)域和不同時(shí)間內(nèi)實(shí)際控制著傳質(zhì)分離效率。因此，填料表面上氣液兩相的流動(dòng)狀態(tài)及界面特性直接影響到了精餾分離效率[8-10]。為了較全面、深入地了解絲網(wǎng)波紋填料的流體力學(xué)性能，本文結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬對(duì)13C分離用絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料表面的降膜流動(dòng)進(jìn)行了模擬研究，為進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)13C分離用規(guī)整填料的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。

1計(jì)算流體力學(xué)模型

相對(duì)于規(guī)整填料塔的宏觀流動(dòng)分布而言，規(guī)整填料片上的微觀流動(dòng)研究并不多。由于金屬絲網(wǎng)面的物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符的物理模型困難。金屬絲網(wǎng)面因絲網(wǎng)的強(qiáng)力毛細(xì)作用使其具有良好的潤(rùn)濕鋪展性能，可忽略絲網(wǎng)毛孔結(jié)構(gòu)的影響，將其簡(jiǎn)化為傾斜或波紋平板，將局部氣液流動(dòng)近似看作為傾斜平板或波紋板的二維降膜流動(dòng)，即是一種具有自由表面,在重力驅(qū)動(dòng)下的液體流動(dòng)[11-12]。簡(jiǎn)化后的二維降膜物理模型結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1，尺寸參數(shù)列于表1。

圖1　二維降膜物理模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Diagram of physical models for two dimensional falling film

表1　物理模型相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸

注：R為凸波紋高度；a為凹波紋深度；λ為波紋半波長(zhǎng)

2數(shù)學(xué)模型與計(jì)算策略

2.1連續(xù)方程與動(dòng)量方程

本文采用CFD模擬中的流體體積函數(shù)(VOF)模型方法[13]，在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)兩相共用一個(gè)動(dòng)量方程和組分運(yùn)輸方程?？刂品匠叹唧w如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

為了獲得相界面的追蹤以及氣液兩相體積分率的分布，模型是通過(guò)在每個(gè)計(jì)算單元中，求解某一相的相分率的連續(xù)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此設(shè)αi為計(jì)算單元內(nèi)第i相的體積分率：

(5)

(6)

在整個(gè)計(jì)算域中，動(dòng)量守恒方程(2)中F表示廣義動(dòng)量源項(xiàng)，可以通過(guò)修改該項(xiàng)來(lái)考慮其他體積力(如重力、表面張力等)對(duì)液膜流動(dòng)的影響。本研究中，根據(jù)氣液兩相流動(dòng)的特點(diǎn)，主要考慮的動(dòng)量源項(xiàng)有重力源項(xiàng)FG和表面張力源項(xiàng)Fσ，即：

(7)

由于重力是體積力，則FG可以直接表示為:

(8)

在伴隨有氣相逆流的降膜流動(dòng)過(guò)程中，由于氣液界面的曲率半徑都比較小，會(huì)產(chǎn)生較大的附加壓力，且液膜較薄，則該附加壓力能夠?qū)σ耗ち鲌?chǎng)的形成產(chǎn)生一定作用，因此在局部流體力學(xué)計(jì)算時(shí)不可忽略表面張力的影響。表面張力是由于流體內(nèi)部分子間引力的作用結(jié)果，是物質(zhì)本身具有的特性，且與溫度和相界面的物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。由于表面張力是表面力，所以必須首先通過(guò)某種方式將其轉(zhuǎn)換為體積力，然后才能將其引入到方程(2)中。

Brackbill等[14]提出的一種能降低界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制的模擬表面張力的數(shù)值方法，將其稱之為連續(xù)表面力(continuum surface force, CSF)模型；該模型是為了正確求解拉普拉斯方程而形成的一種界面計(jì)算方法，適用于求解一般流體由界面張力引起的問(wèn)題。因此本文模擬采用CSF模型來(lái)計(jì)算表面張力動(dòng)量源項(xiàng)Fσ，并將其加入到VOF計(jì)算中。當(dāng)計(jì)算域中只有氣液兩相時(shí)，CSF模型表示表面張力理論關(guān)系式如下所示：

(9)

(10)

2.2湍動(dòng)模型

平板和波紋板上伴隨的氣相逆流的二維降膜流動(dòng)過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)氣-液兩相分層，具有界面波動(dòng)的流動(dòng)過(guò)程，且為近壁面流動(dòng)。另一方面，鑒于氣液兩相逆流使得填料表面上的相界面產(chǎn)生湍動(dòng)效應(yīng)，該湍動(dòng)過(guò)程屬于低雷諾數(shù)下的流體流動(dòng)。

與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型相比，重整化的k-ε模型考慮了低雷諾數(shù)的影響，提供了一種有效粘度的微分解析式，使得重整化群k-ε模型能夠更好地模擬低雷諾數(shù)流體和近壁面流體的流動(dòng)過(guò)程。因此本文選用重整化群(renormalization group, RNG)k-ε湍流模型描述液膜在板面上的降膜流動(dòng)過(guò)程[15]。

重整化群k-ε模型是對(duì)瞬時(shí)的Navier-Stokes方程用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來(lái)的模型，來(lái)源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。模型中的常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不同，其湍動(dòng)能k運(yùn)輸方程和湍動(dòng)耗散率ε運(yùn)輸方程分別如下：

(11)

(12)

該模型方程中Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)，Gk的計(jì)算可與Boussiniesq假設(shè)聯(lián)系起來(lái)得到關(guān)系式：

Gk=μtS2，式中S是平均應(yīng)力張量系數(shù)，可表示為：

(13)

(14)

模型中函數(shù)Gb表示由于浮力影響引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)，可表示為：

(15)

2.3計(jì)算策略

本文基于CO低溫精餾分離穩(wěn)定性同位素13C，選取液態(tài)CO與CO氣體為氣液兩相流研究介質(zhì)，考察在金屬絲網(wǎng)填料表面上的氣液交互作用過(guò)程。液相和氣相入口設(shè)置為速度邊界條件，液相和氣相出口設(shè)置為壓力邊界條件，壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件[17]。將模型中每一個(gè)單元通道劃分成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用精度較高的Geo-Reconstruct界面重建格式；然后將所有的網(wǎng)格設(shè)為在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)連續(xù)，網(wǎng)格總數(shù)為100 631個(gè)。該模擬過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，在算例離散求解中，時(shí)間項(xiàng)采用隱式體積力方法，使得計(jì)算更為穩(wěn)定；壓力項(xiàng)采用PRESTO算法；壓力-速度耦合方式采用PISO算法；動(dòng)量方程的離散格式采用一階迎風(fēng)格式；時(shí)間步長(zhǎng)選取10-5s[18]。

3結(jié)果與討論

3.1絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)液膜流動(dòng)的影響

金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料表面上的流體流動(dòng)行為受多方面的因素綜合作用，其表面一般不采用光滑的平板面，而是處理成具有凹凸起伏的波紋狀，壁面微觀結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致液膜在其上的流動(dòng)行為不同。為較全面的考察這種影響，本文對(duì)平板面及不同目數(shù)的絲網(wǎng)面板(如表1所示的結(jié)構(gòu)尺寸)進(jìn)行可視化模擬，揭示液膜在不同板面上的流動(dòng)規(guī)律。模擬操作在相同的條件下進(jìn)行，設(shè)定板面與豎直方向成45°角，模擬操作物系為CO(l)—CO(g)，無(wú)氣相流動(dòng)，即氣相進(jìn)口速度為0 m/s，液相進(jìn)口采用低溫精餾分離13C同位素的實(shí)驗(yàn)條件，噴淋密度為6.63 m3/m2·h。

傾斜平板上液膜流動(dòng)過(guò)程的可視化模擬研究示于圖2。液相流體流動(dòng)初始處于平緩連續(xù)膜狀，而隨著液膜向下流動(dòng)，受表面張力和粘滯力綜合作用，液膜前段逐漸形成液量聚集，當(dāng)聚集到一定程度，在重力作用下液膜發(fā)生斷裂。后續(xù)流體繼續(xù)在前端聚集，當(dāng)聚集達(dá)到一定程度，在某些位置形成周期性液膜斷裂，最后在平板面上形成一個(gè)比較連續(xù)的液膜流動(dòng)形式。

傾斜絲網(wǎng)面板上液膜流動(dòng)過(guò)程的可視化模擬研究示于圖3。由于絲網(wǎng)面模型獨(dú)特的凹凸起伏結(jié)構(gòu)，液體在絲網(wǎng)面上很容易形成連續(xù)起伏的液膜，其形成過(guò)程與平板面液膜相似。由于表面張力和毛細(xì)作用，液膜發(fā)生隨機(jī)斷裂的概率較小。

圖2　傾斜平板上液膜的形成過(guò)程Fig.2　Stages of film formation on the wavy plate

圖3　傾斜絲網(wǎng)面上的液膜流動(dòng)過(guò)程Fig.3　Stages of film formation flowing on the gauze plate

對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，平板面上液膜的流動(dòng)路程大于絲網(wǎng)面板上液膜流動(dòng)的路程，同時(shí)絲網(wǎng)面板上液膜的厚度較傾斜平板稍厚，由于絲網(wǎng)凹凸表面延緩了液膜的流動(dòng)，增加了液膜在面板上的停留時(shí)間。從傳質(zhì)角度而言，會(huì)增加氣液兩相的相互作用時(shí)間。

3.2液膜流動(dòng)規(guī)律

隨著金屬絲網(wǎng)目數(shù)的改變，其網(wǎng)孔的尺度發(fā)生變化，液膜的流動(dòng)形式也隨之發(fā)生一定的變化。不同目數(shù)絲網(wǎng)面的液膜流動(dòng)規(guī)律示于圖4。為更清晰的了解液膜的流動(dòng)行為，局部放大了圖像(相同放大倍數(shù))。

隨板面凹凸的變化，液膜表面相應(yīng)的發(fā)生周期性震蕩起伏。比較發(fā)現(xiàn)，隨著絲網(wǎng)目數(shù)的減小，液膜厚度逐漸減薄，如液膜在絲網(wǎng)目數(shù)較小的板面(c)上，其厚度要明顯小于板面(a、b)上。對(duì)于絲網(wǎng)目數(shù)越小的板面，波紋尺寸越大，對(duì)液體的流動(dòng)阻力越大，如板面(c)所示，波峰處的液膜厚度要明顯小于波谷處，液相流體易在波紋谷底形成滯留積液，這部分液體不易得到有效的更新，勢(shì)必降低局部的傳質(zhì)和傳熱推動(dòng)力，使得局部的傳熱和傳質(zhì)效率降低。絲網(wǎng)目數(shù)較大的板面(a和b)，由于波紋尺寸變化小，液相流體比較容易形成連續(xù)的液膜，且在波紋谷底不易滯留形成積液，液膜流動(dòng)行為近似于傾斜平板面流動(dòng)。觀察上述圖形可知，由于波紋壁面結(jié)構(gòu)的變化，液膜流動(dòng)形態(tài)隨之發(fā)生改變。在一定目數(shù)范圍內(nèi)，隨著波紋尺寸的減小，氣液相界面波動(dòng)越劇烈，有效提高傳熱和傳質(zhì)效率。

圖4　不同目數(shù)波紋板面上的液膜流動(dòng)及對(duì)應(yīng)局部放大圖Fig.4　Liquid film patterns on various gauze plates and partial enlarged graphics

低溫精餾分離穩(wěn)定性同位素碳-13，其操作狀態(tài)屬于高真空下的低氣液流動(dòng)參數(shù)精餾塔(液氣流動(dòng)參數(shù)FP<0.03)，液相噴淋密度為5.5 m3/m2·h～10.5 m3/m2·h。對(duì)于這類低噴淋密度的精餾塔，為有效加快傳熱和傳質(zhì)速率，應(yīng)使規(guī)整填料表面具有一定持液量，且填料面上的液膜能夠持續(xù)更新，減少滯留積液，可被后續(xù)的進(jìn)料液帶走，同時(shí)氣液相界面具有一定的擾動(dòng)效應(yīng)。為此，對(duì)于13C同位素分離這類低噴淋密度的精密精餾，選用100目的高比表面積絲網(wǎng)面比較合理，有利于形成連續(xù)液膜，同時(shí)也可有效強(qiáng)化局部的傳熱和傳質(zhì)效率。

60目、80目和100目?jī)A斜波紋板面的局部壁面剪切力分布示于圖5。由圖5顯示，壁面剪切力大小隨波紋尺寸的變化而成反比關(guān)系，目數(shù)越大的波紋板面，其壁面剪切應(yīng)力波動(dòng)起伏范圍反而越小。壁面剪切力的大小揭示板壁面對(duì)液膜作用力的大小。剪切應(yīng)力分布圖顯示，對(duì)大尺寸波紋板面(60目)，波峰壁面具有較大剪切力，而波紋谷底的值卻很小，可預(yù)測(cè)若加大波紋尺寸，剪切應(yīng)力波動(dòng)范圍更大，原料液容易從流體表層流走，造成近壁底層的流體不易被更新，波紋谷底存在滯留積液，使得局部傳質(zhì)和傳熱推動(dòng)力降低。而對(duì)于小尺寸的波紋板面(100目)，其壁面剪切力隨波紋板面在較小范圍內(nèi)震蕩起伏，說(shuō)明板面上液膜厚度差距較小，板面上的液膜易被更新，不易造成液體滯留。因此可通過(guò)測(cè)定壁面剪切力的大小預(yù)測(cè)近壁流的流動(dòng)形態(tài)，這對(duì)改善壁面結(jié)構(gòu)，促進(jìn)傳熱和傳質(zhì)速率具有一定的指導(dǎo)意義。

圖5　不同目數(shù)傾斜波紋板上的壁面剪切力分布Fig.5　Wall shear stress on various wavy plates

3.3界面波動(dòng)對(duì)液膜傳質(zhì)的影響

由模擬計(jì)算可知，在氣液兩相逆流作用下的液膜自由表面并非是均勻光滑的，而是出現(xiàn)各種類型的湍動(dòng)，即便氣速為零，在液膜流動(dòng)的發(fā)展階段，其自由表面也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)，這種相界面的波動(dòng)勢(shì)必會(huì)增強(qiáng)氣液兩相之間的傳質(zhì)效率。

平板面不同位置上的液膜在氣液相界面處的速度場(chǎng)等勢(shì)圖示于圖6。經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)，在氣相進(jìn)口(液相出口)區(qū)，存在一個(gè)速度邊界層，隨著氣相吹掃，氣速逐漸趨向穩(wěn)定，并且由于液相出口處液膜的波動(dòng)，氣液兩相的相互作用較明顯；從傳質(zhì)角度而言，在氣相進(jìn)口區(qū)域存在一個(gè)濃度邊界層，而在液膜的波動(dòng)區(qū)，氣液相界面存在較強(qiáng)的湍動(dòng)而非平滑穩(wěn)定的形態(tài)，這說(shuō)明液膜波動(dòng)強(qiáng)化了氣液相界面的傳質(zhì)過(guò)程；在氣相出口(液相進(jìn)口)處，由于氣相速度及濃度已非常均勻，面板上的液膜也非常穩(wěn)定，因此相界面上沒(méi)有比較大的波動(dòng)。

豎直平板與波紋板在中部波動(dòng)區(qū)相界面的速度場(chǎng)等勢(shì)圖示于圖7。與平板面的速度場(chǎng)等勢(shì)圖相比，波紋壁面速度場(chǎng)的湍動(dòng)效應(yīng)比較明顯，且越接近波紋壁面處，其湍動(dòng)越劇烈。從傳質(zhì)角度而言，波紋板相界面的傳質(zhì)作用明顯強(qiáng)于平板面，這主要是由于波紋壁面上的凹凸波紋明顯增強(qiáng)了液膜自由表面的湍動(dòng)強(qiáng)度，從而強(qiáng)化了傳質(zhì)作用。

平板面不同位置上的界面形狀及液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線示于圖8，與圖6相對(duì)應(yīng)。在液相進(jìn)口區(qū)域，伴隨著液膜厚度的迅速降低，相界面的液相濃度發(fā)生劇烈變化；在液膜穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)，即液膜厚度基本保持不變，此時(shí)界面濃度趨于穩(wěn)定，保持恒定；在液膜波動(dòng)區(qū)，由于液膜形態(tài)的不穩(wěn)定，伴隨相界面的起伏不定，對(duì)應(yīng)的界面濃度發(fā)生劇烈震蕩，此時(shí)界面濃度的平均值大于液膜穩(wěn)定區(qū)的界面濃度值，但低于液相進(jìn)口時(shí)的濃度值。從傳質(zhì)角度而言，運(yùn)用滲透理論和表面更新理論解釋這種現(xiàn)象：液膜形態(tài)的不穩(wěn)引起相界面的波動(dòng)，而界面的波動(dòng)引起液相主體的流體微團(tuán)與界面的動(dòng)量傳遞加劇，促進(jìn)新的液相流體被帶至相界面附近，使得界面濃度處于不斷變化之中，且高于前期穩(wěn)定時(shí)期的界面濃度值。液相流體內(nèi)部的傳遞也使得相界面液相側(cè)的表面更新速率增加，將液相流體中輕組分不斷解吸到氣相中，因此液相流體的主體濃度降低。通過(guò)上述分析可知，相界面波動(dòng)使得氣-液兩相間的傳質(zhì)推動(dòng)力得以增加，從而提高了傳質(zhì)系數(shù)。

圖6　豎直平板上不同位置氣液相界面的速度場(chǎng)等勢(shì)圖Fig.6　Equipotential diagram of velocity at different flow regions on the flat plate

圖7　豎直平板與波紋板相界面的速度場(chǎng)等勢(shì)圖Fig.7　Equipotential diagram of velocityat the interface on the flat plate and gauze plate

圖8　平板面上界面濃度隨界面形狀的變化規(guī)律Fig.8　Interphase concentrations versusthe shape of interface on the plate

通過(guò)對(duì)二維降膜流動(dòng)規(guī)律和界面波動(dòng)過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，壁面上液膜的不穩(wěn)定形態(tài)能顯著增強(qiáng)氣液界面的波動(dòng)，從而提高局部推動(dòng)力，增大局部傳質(zhì)系數(shù)，促進(jìn)質(zhì)量傳遞過(guò)程。而固體壁面結(jié)構(gòu)又能顯著影響液膜的流體流動(dòng)行為，液膜自由表面形態(tài)隨壁面結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生顯著變化。低溫精餾分離13C同位素屬于低噴淋密度精密精餾，結(jié)合不同目數(shù)絲網(wǎng)面上液膜流動(dòng)規(guī)律的研究，上?；ぱ芯吭鹤灾餮兄频腜ACK-13C規(guī)整填料采用100目絲網(wǎng)可有效增強(qiáng)傳質(zhì)效率，還可以進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)(R，a，λ)對(duì)絲網(wǎng)壁面進(jìn)行優(yōu)化和改善，實(shí)現(xiàn)氣液傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化。

4結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)穩(wěn)定同位素13C分離用規(guī)整填料表面局部降膜流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算分析，重點(diǎn)研究了板面結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)目數(shù)等隨時(shí)間和空間的發(fā)展變化規(guī)律，對(duì)氣液相界面進(jìn)行追蹤，考察了界面波動(dòng)對(duì)氣液相間傳質(zhì)的影響。(1) 相比平板面而言，絲網(wǎng)波紋結(jié)構(gòu)延緩了液膜在填料表面的流動(dòng)，且在表面張力和毛細(xì)作用下，液膜不容易出現(xiàn)斷裂，使得液膜更易在表面形成連續(xù)降膜流動(dòng)。(2) 隨絲網(wǎng)波紋板面凹凸的變化，液膜表面相應(yīng)發(fā)生震蕩起伏。在目數(shù)越大的絲網(wǎng)面板上容易形成連續(xù)液膜，且液膜較厚。另一方面，壁面細(xì)小的波紋結(jié)構(gòu)使得氣液相界面波動(dòng)更為劇烈，通過(guò)分析波紋板面的局部壁面剪切力分布可知，壁面剪切力隨波紋板面的震蕩起伏程度與絲網(wǎng)目數(shù)成反比，說(shuō)明目數(shù)越大，液膜在絲網(wǎng)面上的液膜厚度較為均勻，且由于波動(dòng)頻率較快，有利于液膜表面的更新。(3) 通過(guò)考察液膜的界面波動(dòng)對(duì)傳質(zhì)推動(dòng)力的影響，研究表明，液膜的界面波動(dòng)能顯著增強(qiáng)傳質(zhì)推動(dòng)力，優(yōu)化和改善板面結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)氣液傳質(zhì)過(guò)程的有效途徑之一。

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Local Falling Film Flow Study of Mesh Corrugated Packing Used in the Separation of Stable Isotope13C

TIAN Ye-sheng, LI Hu-lin, JIANG Yong-yue, LONG Lei, JI Yong-zhe, CAI Yang

(ShanghaiEngineeringResearchCenterofStableIsotope,ShanghaiResearchInstituteofChemicalIndustry,Shanghai200062,China)

Abstract:The separation coefficient of carbon isotopes is small, high-efficiency structured packing should be used in the separation of13C. So the self-developed high-efficiency structured packing PACK-13C was put forward. By means of computational fluid dynamics (CFD), a local falling film flow of mesh corrugated packing PACK-13C with the gas phase counter-current model using the volume of fluid (VOF) was presented. CO(l)-CO(g) was selected to be the simulation mixtures. Based on the simulated results, the influences of the plate structures and the mesh sizes on the film flow were investigated. Based on the gas-liquid interface tracking timely, the influence of interface fluctuation on the mass transfer efficiency was also investigated. The results showed that improving the wall structures to enhance the interface fluctuation was the effective way to strengthen the mass-transfer efficiency. The method of local falling film flow study could be applied to research the multi-scale flow and mass-transfer behavior of the packing which provide some theoretical guidance about the optimization of the packing’s structures.

Key words：CFD; falling film; structured packing; stable isotope13C

收稿日期：2015-08-13;修回日期：2016-02-16

基金項(xiàng)目：上海張江國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)發(fā)展資金重點(diǎn)項(xiàng)目(201310-PT-B2-007)；上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(15DZ2280500)

作者簡(jiǎn)介：田葉盛(1988—)，男，安徽安慶人，工程師，化學(xué)工程專業(yè)

中圖分類號(hào)：TL364.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-7512(2016)02-0108-08

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0108