刮膜式分子蒸馏蒸发液膜模拟中两种湍流模型的比较 PDF
向爱双 许松林
(天津大学化工学院国家精馏技术中心, 天津 300072)
1 概述
刮膜式分子蒸馏是分子蒸馏的一种, 它与降膜式和离心式分子蒸馏的不同主要在于形成蒸发液膜的作用力不同. 随着刮膜转子的快速转动, 液体在蒸发表面上形成均匀的液体薄膜, 加强了传热、传质过程, 显著缩短了物料的停留时间, 从而能避免物料的热分解. 根据文献, 降膜式和离心式分子蒸馏的蒸发液膜呈现层流流动[1]. 但对刮膜式分子蒸馏来说, 液膜流动至少在刮膜转子附近是湍流状态的.
利用CFD软件模拟蒸发液膜的流体流动来研究刮膜式分子蒸馏, 是一种新的理论研究方法. 根据理论分析, 可以建立RNG和Realizable k-ε 两种湍流模型研究近壁面湍流流动, 但是这两种模型的优越性需要在实际模拟中加以比较[2]. 研究中还建立了VOF多相流模型来追踪气液相界面, 模拟液面的波动情况, 并采用了增强壁面函数方法进一步处理近壁面情况. 在旋转坐标下, 分别针对上述两种湍流模型进行求解, 并比较了两种模型下的模拟结果. 主要包括液面波动情况的比较、特殊点处流速随模拟时间变化的比较、流场区域内流体流速、湍动能及湍流耗散率等高线和收敛性等方面的比较.
2 基本假设
旋转刮膜式分子蒸馏装置的蒸发器内设置了一个转动的刮膜器, 使物料均匀地覆盖在加热面上, 强化了传热和传质,缩短了停留时间, 降低了热分解性, 工业上应用比较广泛[3]. 但由于物料在流动的同时也加入了机械力的作用, 导致分子蒸馏过程的传热、传质研究变得异常复杂. 图1为计算所参考的刮膜式分子蒸馏装置[4], 液膜位于加热夹套2与刮膜转子4之间的部分, 转子是由三根成120°, 直径为4 mm的金属柱组成的.
操作中, 转子的转速一般为(120±30) rpm, 液膜切向速度远大于重力引起的轴向速度. 此外, 液膜的轴向距离(20 cm)远大于液膜厚度(0.01~0.025 cm, 计算中选取0.05 cm). 实际操作为高真空(绝对压力大于0.01 Pa), 存在传质和传热, 非常复杂. 因此, 为简化计算, 仅考虑不可压缩液膜并忽略传质和传热的情况. 基于以上分析, 作如下假设: (1) 重力对流动影响忽略不计; (2) 液膜轴向速度无变化, 仅切向和径向速度改变; (3) 计算流体为不可压缩的.……
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