高湿度工业废气冷凝脱湿模型研究与数值模拟

书书书　第５６卷　第８期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５６　Ｎｏ．８　２００５年８月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ａｕｇｕｓｔ　２００５檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文　　高湿度工业废气冷凝脱湿模型研究与数值模拟余　徽，朱家骅，杜怀明，夏素兰，关国强（四川大学化工学院多相流与反应工程省重点实验室，四川成都６１００６５）王江平，郭仕伟，陆庆国，张红映（贵州宏福实业开发有限公司瓮福磷肥厂，贵州福泉５５０５０１）摘要：针对高湿度工业废气冷凝脱湿进行模型研究和数值模拟，引入分配系数α表征雾状冷凝和膜状冷凝并存的权重．恒壁温冷凝管外混合气体在环形空间湍流冷却冷凝的温度分布、湿度分布及其梯度（传热传质推动力）分布的模拟结果显示，雾状冷凝的控制机理是冷壁面附近温度梯度与湿度梯度协同作用下传热传质产生的局部过饱和；膜状冷凝从冷壁面移出大量冷凝潜热，促使气相主体传热传质过程更迅速，脱湿效果更好．实际过程介于二者之间．ＤＡＰ尾气冷却冷凝现场实验传热传质数据，在水汽冷凝减量３４％～５７％的范围内，与α＝０．２的数值模拟结果相当吻合，验证了本文的模型与数值模拟．关键词：工业废气；冷凝；脱湿；模型；数值模拟中图分类号：ＴＫ１２４　ＴＱ０２１．１　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００５）０８－１３８９－０８犕狅犱犲犾犻狀犵犪狀犱狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犮狅狀犱犲狀狊犪狋犻狅狀犪狀犱犱犲犺狌犿犻犱犻犳狔犻狀犵狅犳犺犻犵犺犺狌犿犻犱犻狋狔犻狀犱狌狊狋狉犻犪犾犲狓犺犪狌狊狋犵犪狊犲狊犢犝犎狌犻，犣犎犝犑犻犪犺狌犪，犇犝犎狌犪犻犿犻狀犵，犡犐犃犛狌犾犪狀，犌犝犃犖犌狌狅狇犻犪狀犵（犛犮犺狅狅犾狅犳犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犛犻犮犺狌犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犆犺犲狀犵犱狌６１００６５，犛犻犮犺狌犪狀，犆犺犻狀犪）犠犃犖犌犑犻犪狀犵狆犻狀犵，犌犝犗犛犺犻狑犲犻，犔犝犙犻狀犵犵狌狅，犣犎犃犖犌犎狅狀犵狔犻狀犵（犠犲狀犵犳狌犘犺狅狊狆犺狅狉犻犮犉犲狉狋犻犾犻狕犲狉犘犾犪狀狋，犌狌犻狕犺狅狌犎狅狀犵犳狌犐狀犱狌狊狋狉狔牔犆狅犿犿犲狉犮犲犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犆狅．犔狋犱，犉狌狇狌犪狀５５０５０１，犌狌犻狕犺狅狌，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｈｕｍｉｄｉｆｙｉｎｇｏｆｈｉｇｈｈｕｍｉｄｉｔｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｘｈａｕｓｔｇａｓｅｓｗｅｒｅｍａｄｅ．Ａｎａｌｌｏｃａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ，α，ｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌｔｏｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙｅｘｐｒｅｓｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｎｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｗｏｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｆｏｇｇｉｎｇａｎｄｆｉｌｍｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｅａｍｆｒａｃｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒｇｒａｄｉｅｎｔｓ（ｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｓｆｏｒｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒ）ｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｆｏｒｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｏｆｅｘｈａｕｓｔｇａｓｅｓｉｎｔｈｅａｎｎｕｌａｒｓｐａｃｅｏｕｔｓｉｄｅａｃｏｏｌｉｎｇｔｕｂｅｗｉｔｈｃｏｎｓｔａｎｔｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｆｏｇｇｉｎｇｗａｓｍａｉｎｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔｅａｍｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃｒｏｓｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｓｎｅａｒｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｗａｌｌ．Ｗｈｉｌｅａｍｕｃｈｒａｐｉｄｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｗｏｕｌｄｂｅｓｅｅｎｉｎｔｈｅｂｕｌｋｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗｈｅｎｆｉｌｍｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｏｋｐｌａｃｅ．Ｉｔｃｏｕｌｄｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｓｈｏｕｌｄｒｅａｃｈａｎｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓｔａｔｕｓｂｅｔｗｅｅｎｆｏｇｇｉｎｇａｎｄｆｉｌｍｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ．ＦｒｏｍｔｈｅｐｉｌｏｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＤＡＰｔａｉｌｇａｓｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎｏｆ３４％—５７％ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｔｅａｍｆｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｔｈｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒα＝０．２．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｘｈａｕｓｔｇａｓ；ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ；ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｙｉｎｇ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　　２００４－０８－０２收到初稿，２００４－１０－２２收到修改稿．联系人：朱家骅．第一作者：余徽（１９７３—），男，博士．基金项目：国家高技术研究发展计划项目（２００２ＡＡ６４７０２０，２００３ＡＡ６４７０４０）；四川大学青年科学基金项目（２００３０４５）．　　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００４－０８－０２．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＺＨＵＪｉａｈｕａ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２００２ＡＡ６４７０２０，２００３ＡＡ６４７０４０）ａｎｄｔｈｅＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄｆｏｒＹｏｕｎｇＳｃｈｏｌａｒｓｏｆＳＣＵ（２００３０４５）．　引　言过程工业大气排放物现行控制标准ＧＢ１６２９７—１９９６《大气污染物综合排放标准》仅限制有毒有害物质排放，而清洁生产法则［１］对总的物质排放量及排放状态均要加以控制．例如尽管水蒸气是无害物质，但当其以很高的比例混于含尘废气排放，就可能形成新的凝降污染源．一个６０万吨／年磷酸二铵（ＤＡＰ）工艺装置，每小时４０余吨水蒸气混于２６万多立方米含尘尾气中排放就造成了厂区及周边“磷铵雨”污染［２］．分析指出其原因是烟囱内尾气湿度过大、局部过饱和而引起蒸汽凝雾．对此提出了尾气脱湿消减质量能量同时浓缩磷酸一铵（ＭＡＰ）料浆的尾气循环利用技术［３］，替代一次能源．尾气凝雾现象与脱湿过程，都与高湿度废气的冷凝密切相关．含大量不凝气的蒸汽冷凝问题广泛存在于化工与热工领域．其机理较复杂，工程上通常采用经验方程或根据实验数据进行保守设计［４］．数值模拟研究方面，主要是基于两相流质量、热量衡算和液相边界层或气液双边界层模型，在不考虑轴向扩散的假设下进行数值模拟［５～１１］．所作的假设为气相主体温度等于蒸汽分压所对应的饱和温度、蒸汽分子由气膜扩散至气液界面而冷凝、冷凝热由液膜传给冷壁面．但实际上工业废气往往不饱和，且动力学过程中气相温度和水蒸气浓度明显非均匀，兼之含尘，温度低于露点值的气相区域均可能发生雾状冷凝，例如上文指出ＤＡＰ尾气形成“磷铵雨”的机理．因此掌握高湿度废气水蒸气冷凝的动力学特征是很必要的．本文指出高湿度废气在有限空间中雾状与膜状冷凝现象并存，提出了相应的模型表达并建立了数学模型，在适当的简化条件下进行数值模拟，得到了高湿度废气在冷表面上流动冷却过程中温度场、浓度场及冷凝状态参数分布．模拟结果得到了现场实验数据的验证．１　机理与模型含不凝气的蒸汽膜状冷凝假设冷凝潜热全部在液膜表面释放并通过液膜传递至冷壁面［图１（ａ）］；而完全雾状冷凝则假设冷凝不是在传热表面上、而是在气相空间发生，并认为气相焓值不随冷凝发生而减少、而是以对流传热方式传递给冷壁面［１２］［图１（ｂ）］．实际上由于高湿度工业废气含大量尘粒自然形成的雾状冷凝核心，即使以膜状冷凝为主，在流动空间中任何过饱和区域也会发生雾状冷凝．单纯膜状冷凝不能表达高湿度废气在有限空间中雾状冷凝的机理，而单纯雾状冷凝又不能表达以表面冷却为主的冷凝机理．本研究提出采用分配系数α（０≤α≤１）表达雾状冷凝模式在冷凝过程中的权重，α＝１．０为全雾状冷凝，α＝０为全膜状冷凝，实际情况介于二者之间．Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ　针对膜状冷凝与雾状冷凝并存的工况，给出以下基本假设．①气相空间任何低于露点温度的位置均有雾状冷凝发生；②冷凝推动力表示为空间任意点处气体真实湿度犎与饱和湿度犎ｓ之差；③膜状冷凝的相变潜热传递给冷壁面；雾状冷凝的相变潜热仍持于气相；④冷凝雾滴与壁面碰撞并附着于冷壁面，形成液膜；⑤气相流动状况为湍流，采用标准犽ε模型描述，并忽略相变减量对犽ε方程的影响；⑥过程是拟稳态的．不失一般性，在如图２所示的柱坐标下写出包含冷凝相变过程在内的二维湍流传热传质控制方程的通式狓（ρ狌狓）＋１狉狉（狉ρ狌狉）＝狓Γ（）狓＋１狉狉狉Γ（）狉＋犛（１）式中　Γ和犛分别为与物理量对应的广义扩散系数和源项，具体意义如表１所示．其中μｅｆｆ＝μ＋μｔ（２）μｔ＝犆μρ犽２／ε（３）·０９３１·化　　　工　　　学　　　报　　第５６卷　犜犪犫犾犲１　犜狌狉犫狌犾犲狀狋犱犻犳犳狌狊犻狏犻狋犻犲狊犪狀犱狊狅狌狉犮犲狋犲狉犿狊犻狀犈狇．（１）Γ犛ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙｅｑｕａｔｉｏｎ１０犛ｃｏｎｍｏｍｅｎｔｕｍｅｑｕａｔｉｏｎｉｎ狓ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ狌狓μｅｆｆ－狆狓＋狓μｅｆｆ狌狓（）狓＋１狉狉狉μｅｆｆ狌狉（）狓＋犛ｍ，狓ｍｏｍｅｎｔｕｍｅｑｕａｔｉｏｎｉｎ狉ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ狌狉μｅｆｆ－狆狉＋狓μｅｆｆ狌狓（）狉＋１狉狉狉μｅｆｆ狌狉（）狉＋犛ｍ，狉ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｑｕａｔｉｏｎｏｆ犽犽μｅｆｆσ犽犌－ρεｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｑｕａｔｉｏｎｏｆεεμｅｆｆσεε犽（犮１犌－犮２ρε）ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ犳犳ρ犇＋μｔ犛犮ｔ犛ｆｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ狋狋μ犘狉＋μｔ犘狉ｔ犛ｔｅｍ犌＝２μｅｆｆ狌狉（）狓２＋狌狓（）狉２＋狌狓（）狉２＋１２狌狉狉＋狌狓（）狓［］２（４）各方程的源项表示为犛ｃｏｎ＝犛ｆ＝－ρ（１－犳）（犎－犎ｓ）／Δτ（５）犛ｍ，狓＝犛ｃｏｎ狌狓，犛ｍ，狉＝犛ｃｏｎ狌狉（６）犛ｔｅｍ＝α犛ｃｏｎ狉ｖ／犮狆（７）其中，α为分配系数，Δτ为流体在控制微元内的平均停留时间．犛ｃｏｎ同时代表了单位容积蒸汽冷凝率．湍流模型参数的取值为：犮１＝１．４４，犮２＝１．９２，犆μ＝０．０９，σ犽＝１．０，σε＝１．３，犘狉ｔ＝１．０，犛犮ｔ＝０．７［１３］．水蒸气在空气中的扩散系数犇＝２．８８×１０－５ｍ２·ｓ－１，混合气密度按理想气体计算［１４］．引入量纲１变量狉＝（狉－狉ｉ）／狉ｈ，狓＝狓／犔，狌＝ρｉｎ狌狉ｈ／μｉｎ，狆＝狆／［μ２ｉｎ／（ρｉｎ狉ｈ）］，犽＝犽／［μｉｎ／（ρｉｎ狉ｈ）］２，ε＝ε／［μ３ｉｎ／（ρ３ｉｎ狉４ｈ）］，狋＝（狋－狋ｗ）／（狋ｉｎ－狋ｗ），ρ＝ρ／ρｉｎ，μ＝μ／μｉｎ，γ＝狉ｈ／狉ｉ＝κ－１，κ＝狉ｏ／狉ｉ，犃＝犔／狉ｈ（８）其中，特征值狉ｈ＝狉ｏ－狉ｉ；ρｉｎ，μｉｎ，犳ｉｎ为混合气进口参数值．方程（１）转化为犃狓（ρ狌狓）＋犃２１γ狉＋１狉［ρ（γ狉＋１）狌狉］＝狓Γ狓（）＋犃２１γ狉＋１狉（γ狉＋１）Γ狉［］＋犛（９）式中　Γ和犛