规整填料CFD模拟 文献报告 汇报人：谭丽媛 指导老师：袁希钢教授 2013.06. 20

规整填料内液体流动的研究 扩散模型：在最初研究规整填料塔内的液体流动模型时，许多研究者[1-5]都搬用散堆填料塔内广泛使用的扩散模型： 张鹏飞. 新型精密精馏填料塔的研究[学位论文]. 天津：天津大学研究生院，1989. 翟建华. 高效板波纹填料塔的端效应及其液体分布装置研究[学位论文]. 天津：天津大学研究生院，1990. 董根全. 规整填料层内温度场与传质过程的研究[学位论文]. 天津：天津大学研究生院，1991. Hoek P J, Wesselingh J A, Zuiderweg F J. Small scale and large scale liquid maldistribution in packed columns. Chem Eng Res Des, 1986,64(6):431_449 何杰. 金属板波纹填料中扩散模型的应用及液体停留时间分布的研究[学位论文]. 天津：天津大学研究生院，1990.

扩散模型推导的基础是液体在填料内的随机流动，而对规整填料，其流道十分规则，液体流动的随机性受到很大限制，因此在规整填料中搬用扩散模型是值得怀疑的。 结点网格模型：源于Dangizer[6]对结构上类似于板波纹填料的SULZER SMV型静态混合器中的液体分布规律的研究，其中填料纹棱交叉点构成了一系列结点网格，液体在结点处发生混合。而规整填料相邻填料片上的液体在交叉点上是点与点的接触，发生返混的分率很小，该模型适用程度值得讨论 6. Danziger R. Simulating the turbulent mixing process in a static mixing element . Sulzer Tech Rev, 1978,60(1):10-12.

徐崇嗣[7]研究了4.5型和6.3型金属规整填料结构特点，并建立模型（参见如下文献）。模型假设： 在每盘填料内，液体在板片之间的 一系列夹层内作二维运动。液体沿波纹通道流动，仅在通道的交叉处发生相互混合； 液体不从板孔透过板片； 液体流到塔壁之后即发生完全反射； 两盘填料交接面上，相邻通道的液体发生横向返混。 液体在塔壁上发生完全反射，即没有考虑壁流的影响，这不合理。 7. 徐崇嗣，楼建中，姜庆泉. 金属板波纹填料液流分布的研究. 化工学报，1986,37（4）：402—411.

电子渗流器模型：Hanley[8]借用“电子渗流器”的概念来描述塔内气液流动，该模型假设没有被液体充满的塔内空隙对气体来说可以通过，类似“导电”；这些空隙被液体堵塞后，则气体不能通过，类似“绝缘”，整个填料塔由大量“导电”与“绝缘”的空隙格栅组成，其构成类似于“电子渗流器”。填料塔内的气液接触过程，可以看成空隙格栅不断“导通”和“绝缘”的过程。 8. Hanley B, Dunbobbin B, Bennet D. Aunifined model for countercurrent vapor-liquid packed columns. Ind. Eng. Chem. Res. 1994,33(5):1208-1221

计算流体力学（CFD）模型：以严格的Navier-Stokes方程以及连续性方程为基础进行计算。 空隙率流动模型：Grosser等[9]和Dankworth等[10]提出了一个气液流动的宏观模型，该模型以气、液相空隙率的流动为基础。通过该模型可以预测泛点以下的液相持液量和压力梯度，也可以预测泛点。但该模型应用较少。 计算流体力学（CFD）模型：以严格的Navier-Stokes方程以及连续性方程为基础进行计算。 9. Grosser K A, Canbonell R G, Sundaresan S. Onset of pulsing in two-phase cocurrent downflow through a packed bed. AIChE J, 1989,34(11):1850-1860 10. Dankworth D C, Sundaresan s. A macroscopic model for countercurrent gas-liquid flow in packed columns. AIChE J, 1989,35(8):1282-11292

由于规整填料的几何结构非常复杂，而且受到计算机资源的限制，目前还无法建立整塔实体物理模型，多数研究集中在对局部单元内气液流动的模拟。 CFD的基本思想[11]：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的规则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值，CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。 由于规整填料的几何结构非常复杂，而且受到计算机资源的限制，目前还无法建立整塔实体物理模型，多数研究集中在对局部单元内气液流动的模拟。 11. 黄志新，刘成柱. ANYSYS Workbench 14.0 超级学习手册[M]. 北京：人民邮电出版社，2013

体积平均CFD模型：将填料塔内的填料物性进行宏观平均，不考虑单个填料微观结构对流体的作用，而是将填料看做具有一定空隙率的连续介质，并假定流体在介质中连续流动，填料对流体的形体阻力通过Navier-Stokes方程的模型修正项体现。 单元综合CFD模型：在充分考虑填料结构特性条件下，将填料看成是由大量结构单元构成的整体，从单个结构单元入手来研究流体的流动状况，通常计算网格的划分主要在结构单元内，因此网格划分的很密，能更真实的反应填料空隙内流体的流动情况。但计算量大，对规整填料也只能算几片填料。

体积平均规则：加和规则、乘积规则、时间导数规则、梯度规则、对流相散度规则。 时均值运算的有关法则：

由于规整填料内液体的流动为湍流。对方程组封闭性问题，一般是在雷诺平均法的雷诺应力方程基础上，建立湍流模型以添加方程并作简化计算进行封闭。湍流模型一类为：以湍流粘度为基础的湍流涡黏模型，其中以添加方程式数目的多少分为零方程模型、一方程模型、两方程模型（k-ε）；另一类为以求解雷诺应力方程为基础的雷诺应力湍流模型（不常用）[12]。 12. 余国琮，袁希钢. 化工计算传质学导论[M]. 天津：天津大学出版社；2011.

标准k-ε模型：基于脉动动量输运的物理机理，认为湍流能量是由大尺度向小尺度传递。 Hosdon等人[13]采用此模型模拟了在气相单相流条件下，Mellapak 350Y型规整填料内流体的流动情况，将相邻两填料片的通道交接处围成的空间看成一个体积单元。 13. Hodson J S, Fletcher J P, Porter K E. Fluid mechanical studies of structured distillation packings [J]. I Chem E Symp Ser Dist and Absp, 1997,142(2): 999-1007

重整化群k-ε模型（RNG模型）：对湍流粘度进行修正，考虑了平均流动中的旋转及旋流等情况；同时改变了常数C1 ε，能够反映主流的时均应变率。能较好处理流线弯曲程度较大或应变率较大的流动[12]。 标准k-ε模型假定流体的湍流在空间上为各向同性，因此重整化群k-ε模型最适合规整填料内流体的流动。但这个两个模型都适用于高雷诺数的流动。

液膜流动模型主要是根据已知的流体性质、操作参数及表面形状对液膜流动进行模拟计算。确定液膜表面的位置，然后根据基本的质量和动量守恒方程，对流动区域内流场进行计算；再结合传热及传质方程，即可得到液膜内的温度场和浓度场，进而可计算填料的传质效率。 两相流模型的难点：1. 气、液相界面的确定 2. 规整填料内的气、液相的流动过程中，气-液、气-固以及液-固等相间相互作用力的确定。 3. 多相流的控制方程及封闭模型的数值求解方程十分复杂。

VOF（Volume of Fluid）界面跟踪技术可以确定气、液界面的位置，在VOF法中，用1个方程来描述2种流体，而相界面的跟踪是通过求解一相或多相的体积分率的连续方程来完成的。对每增加到模型里的一个附加相，就引入一个变量：即计算单元里的相的体积分率α，在每个控制体积内所有相的体积分率之和为1，所有变量及属性均为体积平均值且为各相所共享。 物系的表面张力影响液相在规整填料表面的流动形式，表面张力较低时，液体能形成稳定的液膜，而表面张力较大时，液体可能以溪流的形式在规整填料表面流动 质量输运方程：流体力学中描述某一组分由高浓度区向低浓度区的转移的数学表达式。

该模型具有平均的意义，但不能反映规整填料内流体的微观流动状况，无法精确描述规整填料塔内流体径向的流速分布。 张鹏[14]通过引入表征体元的概念，采用体积平均的方法对Mellapak 350Y型规整填料建立了气/液单相流的基本输运方程和气液两相流输运方程。忽略了固相填料所占的体积分率，与传统的输运方程相比，方程中增加了空隙率、相间相互作用力和动力弥散系数三项。 该模型具有平均的意义，但不能反映规整填料内流体的微观流动状况，无法精确描述规整填料塔内流体径向的流速分布。 14. 张鹏. 加压下规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模拟[学位论文] ]. 天津：天津大学研究生院，2002.

谷芳[15]针对无限大平板和无限大波纹板上的伴随气相逆流的液体降膜流动过程，采用VOF法建立了二维CFD模型。在动量方程中加入了界面剪应力动量源项和表面张力动量源项。以二维CFD模型为基础，建立了平板和波纹板上溪流流动的三维CFD模型以及单片规整填料片上溪流流动的三维CFD模型。但没有考虑气液相间作用力的影响。 通过测定Mellapak250X/Y、350X/Y四种填料在两片规整填料内的液相分布和持液量，建立了规整填料宏观液相分布模型。模型中考虑了壁效应、节点处液体混合再分配过程以及液体横向扩散过程。但没有考虑到相邻规整填料对液相流动过程的影响。 15. 谷芳. 规整填料局部流动和传质的计算流体力学研究[学位论文]. 天津：天津大学研究生院，2004.

在流体力学模型的基础上，对加压下规整填料内气、液相间的传质过程进行了模拟，模型中采用 模型取代常用的施密特类似律法来计算湍流扩散系数 陈江波[16]对Mellapak 350Y型金属板波纹规整填料建立了一个单相流动三维CFD模型。但实验测得的流场分布比CFD模拟的流场复杂。用VOF法建立了规整填料内气-液两相逆流过程的三维CFD模型，模型考虑了填料片对其内部流到及相邻填料片上的流道中液体流动的影响；还考虑了表面张力和气、液相间剪应力对流动过程的影响。 在流体力学模型的基础上，对加压下规整填料内气、液相间的传质过程进行了模拟，模型中采用 模型取代常用的施密特类似律法来计算湍流扩散系数 16. 陈江波. 高压下规整填料塔的计算传递和传质性能[学位论文]. 天津：天津大学研究生院，2006.

结果显示：壁面对气泡的影响大，气液两相见的相互作用导致了相间的动量传递，液相单点速度随着气泡的经过间歇出现峰值。 刘春江[17]等研究了Mellapak 350Y 规整填料内的鼓泡流动，计算过程中对规整填料的几何结构做一些简化，即假定其表面未开槽，也没有开孔。气液两相并流，气体由填料底部中心进入。采用追踪气液两相界面的VOF模型进行模拟。使用RNG k-ε模型来描述湍流行为。 结果显示：壁面对气泡的影响大，气液两相见的相互作用导致了相间的动量传递，液相单点速度随着气泡的经过间歇出现峰值。 17.刘春江、成洁、袁希钢. 规整填料内鼓泡流动的二维CFD模拟. 中国科技论文在线，2008年12月 第3卷 第12期

张雪[18]研究了新型金属丝网规整填料CDG1700Y和CDG2500Y，通过引入表征体元的概念，采用体积平均的方法使金属丝网规格填料塔内的流体非连续介质连续化，并分别建立了描述填料塔内流动规律的气、液单相流流动方程和气液两相流状况下的气相和液相的流动方程。模型属于整体平均CFD模型，与张鹏类似，不能反映规整填料塔内流体的微观流动状况。 18. 张雪. 规整填料塔内流体力学行为模拟研究[学位论文]天津：天津大学研究生院. 2007.

有关针对规整填料内气液两相流的模拟的模型仅局限于填料层的某个局部结构单元，如单片填料，这些模型均假定填料内的流动为层流，而且都没有考虑到相邻填料对气、液相流动的影响[19-22]。 19. Iliuta. I., Larachi F., Mechanistic model for structured-packing containing columns:irrigated pressure drop, liquid holdup and packing fractional wetted area, Ind. Eng. Chem. Res.,2001,40:5140-5146 20. Raynal L., Boyer C., Ballaguet J-P., Liquid holdup and pressure drop detemination in structured packing with CFD simulations, The canadian Joural of Chemical Engineeing, 2004,82:871-879 21. Van Wachem B. G. M., Almstedt A. E., Methods for multiphase computational fluid dynamics, Chemical Engineering Journal, 2003, 96:81-98 22. Iliuta I., Petre C. F., Larachi F., Hydrodynamic continuum model for two-phase flow structured-packing-containing columns, Chemical Engineering Science, 2004,59:879-888

Raynal等[23]研究了Mellapak250Y规整填料二氧化碳捕捉CFD模拟。右侧为其流程，同样是局部模拟，引入特征单元体。 23. L. Raynal∗, A. Royon-Lebeaud，Amulti-scale approach for CFD calculations of gas–liquid flowwithin large size column equipped with structured packing； Chemical Engineering Science 62(2007)7196_7204

张西雷等[24]对JKB-250Y交叉波纹填料以及在交叉波纹填料中加入隔板后气体流动和传质过程进行了CFD模拟。在此研究中，选择表面化学反应模拟来描述气体在填料表面发生壁面反应。 Scott A 等[25] 发表一个对于复杂流动和整个填料单元能够快速准确地模拟的方法。用于计算的几何模型是由X射线计算机断层扫描（CT）常规规整填料生成的。 24. 张西雷，梁宝臣，张燕来.规整波纹填料内气体流动和传质的CFD模拟. 化学反应工程与工艺，2013,29（1）65-10. 25. Scott A. Owens, Michale R. Perkins, and R. Bruce Eldridge, Karl W. Schulz, Richard A. Ketcham; Computational Fluid Dynamics Simulation of structured Packing; Eng. Chem. Res. 2013,52,2032-2045