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摘要：基于计算流体方法,采用二维、不可压缩、非稳态流动模型,对湿法烟气脱硫塔中带钩波纹板除雾器内的气液两相流场进行数值模拟,比较了除雾器性能的模拟值和实验值。利用计算结果,基于响应曲面法并使用Design-Expert软件研究了钩片直段长度（H）、钩片圆弧段转折角度（β）及钩片圆弧段转折半径（r）对除雾器性能的影响,得到了除雾器性能的二次多项式预测模型。
研究结果表明,除雾器性能的模拟值与实验值吻合较好,验证了数值计算结果的可靠性;在上述多个影响因素中,H、β、r、H平方项及H和β的交互作用对除雾器性能的影响最为显著;在所研究的尺寸范围内,当H=15.51mm、β=35.96°、r=25.78mm时,除雾器性能达到最优。所得结论有助于进一步改善除雾器的结构优化设计。
关键词:除雾器;钩片尺寸;气液两相流;数值模拟;响应曲面法
带钩波纹板型除雾器作为一种高效的除雾器形式,广泛应用于化工、石油、压力容器等行业中的气液分离装置中[1,2],加装钩片促使除雾器叶片间通道气流发生剧烈偏转,从而增加了雾滴的拦截几率,在可接受的压降范围内具有较高的效率。目前,国内针对带钩波纹板除雾器钩片尺寸的研究成果报道不多。
本文应用响应曲面法[3],建立Box-Behnken数学模型[4],通过计算流体动力学计算软件Fluent进行多工况数值模拟,考察了钩片结构参数对除雾器性能的影响,在此基础上建立了相应的预测模型,确定了钩片的最优参数,为带钩波纹板除雾器的研究提供了有益的尝试。
1除雾器模型
1.1模拟对象
本次数值试验以典型带钩波纹板除雾器为模拟对象[5,6],除雾器的结构如图1所示,结构参数如表1所示。文中涉及的变量及单位如下：β为钩片圆弧段转折角度,（°）;r为钩片圆弧段转折半径,mm;H为钩片直段长度,mm;η为除雾效率,%;Δp为除雾器压损,Pa;v为烟气流速,m/s。
图1带钩波纹板除雾器结构示意
表1带钩波纹板除雾器的几何尺寸
1.2物理模型的假设与简化
除雾器数值计算方法的假设与简化[7]如下。
（1）用实测烟气参数设置连续相介质,因为除雾器流场内流速不高,烟气流速远小于当地声速的0.1倍,压力损失基本小于200Pa,所以把连续相介质设置为不可压缩的流体。
（2）除雾器在y方向上的高度与z方向的宽度相差很大,且z为常数的任意流动截面的流场都相同,因此只需计算z=0的二维平面流场。
（3）以水滴代替浆液雾滴进行计算,液滴的平均粒径小于30μm,在数值计算中浆液滴采用硬质球形,不考虑浆液滴的蒸发、液膜的撕裂等。
（4）浆液滴轨迹的计算是遇到除雾器壁面即终止,并记为捕集。
（5）浆液滴在实际的迭代过程中只考虑了重力、烟气对液滴的曳力和saffman力作用。
1.3模型的边界条件
烟气视为连续相介质,密度ρg为1.1kg/m3,动力粘度μg为1.954×10-5（N˙s）/m2。额定工况下进口烟气流速为4m/s。边界条件：入口设置为速度入口,烟气流速方向与除雾器进口垂直,且在整个进口上均匀分布。出口绝对压强为101325Pa。连续相壁面边界条件：无渗透,无滑移,绝热[8]。
液滴的密度ρp为1200kg/m3,动力粘度μp为5.49×10-5（N˙s）/m2。液滴的粒径服从Rosin-Rammler分布,按照电厂实测数据输入[9],其中最小粒径为10μm,最大粒径为40μm,平均粒径为21μm,分布指数为3.77[10,11]。
1.4网格独立性验证
使用AutoCAD创建二维几何模型,用gambit软件进行网格划分,对近壁面附近的区域利用边界层网格进行加密处理,整个流场均采用结构化网格,网格划分完毕后导入到Fluent14.0进行数值计算。对计算结果进行网格无关性检验,网格总数选取30000~80000个,综合考虑计算结果的准确性与计算时间的合理性等问题,当网格数总数增加到67000个以上时,出口速度场分布、除雾效率、压力损失等计算结果几乎维持不变。
2响应曲面模型
本文考察钩片直段长度、圆弧段转折角度和圆弧段转折半径对除雾器性能产生的影响,采用了最高次项为二次的曲面方程,该方程囊括了各单因素的一次项、两相同因素的平方项及两不同因素组合的交互项。具体方程形式为
基于前期的研究,根据响应曲面法设计原理,本实验采用Box-Behnken设计法进行实验设计,建立回归模型,其影响因素和水平如表2所示。
表2影响因素与水平
3计算结果与方差分析
3.1实验验证
数值计算参照东南大学实验数据进行设置[12],折流板除雾器的板间距为26mm,出口直段长度为20mm,入口直段长度为30mm,转折段长度为140mm,除雾器转弯角度为90°。本文综合考虑了浆液滴的破碎和小液滴的聚合效应,利用该数学模型的计算结果与实验数据进行对比,来提高和证明带有液滴破碎、聚合模型的准确性。
对比结果如图2所示。由图2可见,在临界流速以下时,实验结果与数值模拟结果的分离效率变化趋势吻合,并且带有液滴破碎、聚合的模型与实验数据符合更好。
图2数值模拟结果与实验数据的比较
3.2单因素对除雾器性能的影响
钩片直段长度、钩片圆弧段转折角度及圆弧段转折半径对除雾器性能的影响如图3~5所示。由图可知,当H由10mm增加到26mm,除雾效率可由80.77%提高到98.98%;同样r也增加16mm,除雾效率仅由92%增加到98.98%;β由14°增加到40°时,除雾效率由82.04%增加到93.45%。
对于线性项,影响除雾器性能最为明显的因素是钩片直段长度,并且压力损失与钩片长度之间的关系呈现指数增长的趋势,其他2个因素对除雾器性能的影响规律与之基本相似。钩片的存在使两相流体在叶片之间产生强烈偏转,惯性力使浆液滴从连续相的流线中分离出来,碰撞到壁面上而被捕集,因此除雾效率不断上升,同时钩片贡献了较大的局部阻力损失,这也是带钩波纹板除雾器与普通折板式除雾器相比具有的明显特点。
