黄磷喷淋塔数值模拟研究

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中图分类号 ： TH137；TQ051.5 文献标识码 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.02.016Numerical Simulation of Open Spay Tower for Phosphorus ProductionWANG Qiao-yan，TANG An-jiang，JIANG Dong-hai，TANG Zheng-he(Guizhou University，Guiyang 550025，China)Abstract： Based on computational fluid dynamics(CFD)and muhiphase flow theory，K-standard turbulence model andheat transfer model were used to solve the gass velocity and temperature in a three-dimensional coordinate system.At the sametime，the Lagrange model was used to trace the particles trajectories.The simulated data showed that the ration of liquid to gas，the initial temperature and diameter of spray water have great influence on the heat exchange efficiency and condenses perform-ance.The heat exchange eficiency increased with ration of liquid to gas，initial temperature of spray water.The initial diameterof spray water had complex influent on heat exchange eficiency.Th e simulation results had reference value for improving and op-timizing design of open spay tower。

Key words： open spay tower；numerical simulation；gas-liquid flow filed；CFD1 前言喷淋塔因为结构简单、压降孝不易堵塞等优点，在湿法烟气脱硫、电炉法黄磷生产、浓硫酸的制备及水冷塔等工艺过程中有着较为广泛的应用 J。由于电炉法制磷需要消耗大量的电能，近年来随着我国能源及环境要求的调整，国内相继出台了黄磷生产准入条列，对黄磷生产厂家提出了众多要求，使 国内黄磷生产企业面临改革 j。其中，不同负荷的电炉需要配套相应的冷凝塔，因此在对电炉的改造、放大的过程中，冷凝塔的改造显得尤为重要。

在黄磷喷淋塔内气液逆流换热，使黄磷蒸汽冷凝液化，同时吸收易溶于水的气相杂质。目前收稿日期： 2012-05-15 修稿 日期： 2012-07～06国内外对黄磷生产设备单元的数值模拟尚不多见，而对喷淋塔的研究主要集中于烟气脱硫塔等方面。肖国俊等利用商用 CFD软件对脱硫喷淋塔空塔内部流厨行数值模拟，对比不同烟气人口角度对喷淋塔内部气相流场的影响，模拟结果表明烟气入口向上倾斜 l8。左右将是喷淋塔最佳人口角度 J。赵酷等以商用 CFD软件 Fluent为计算工具，采用拉格朗日模型对喷淋塔内部气液流动进行分析，全面考虑了液滴的受力等情况，模拟结果与试验结果吻合较好，模拟结果表明脱硫塔内喷淋液分布存在若干问题，并就此提出了相关的改进意见 ' 。Luca Marocco以商业 CFD软件 Fluent为基础，采用 Euler-Lagrange多相流模型对逆流喷淋脱硫塔进行数值模拟，同时以双2013年第41卷第 2期 流 体 机 械 79膜理论及实际经验数据为基础对二氧化硫的吸收过程进行模拟。模拟得到的压降、温度及二氧化硫脱除率均与试验测定值吻合较好 。

本文以烟气脱硫喷淋塔的研究为基础，结合黄磷设备单元特性，利用 CFD技术对黄磷喷淋塔进行数值模拟，对比、分析不同操作条件下黄磷喷淋塔工作性能变化趋势 J。

2 物理模型简介以某厂 12500KVA黄磷电炉配套的喷淋塔的工业模型为基础，模型简图如图 1所示。

Ar-jA- 图 1 冷凝塔模型简图在黄磷生产中，3座喷淋塔串联运行，水及液态黄磷在受磷槽内沉降分离，沉积在底部的黄磷被送至精制锅精制；水由上部出口流出，进入储槽经由循环泵送人 1 、2 喷淋塔循环使用。在工业生产中1 喷淋塔进口气体主要为CO(质量分率大于 70%)和黄磷蒸汽，温度约为 200℃，经过 3座喷淋塔换热和吸收杂质后，最终尾气主要是CO(质量分率约为90%)，温度约为 35℃。在本模拟中仅对第-座冷凝塔进行数值模拟。

3 网格划分及数学模拟网格划分是整个 CFD模拟计算的基础，不同的网格数，其求解结果也有所不同，综合考虑求解准确性及求解时间的影响，对比不同网格数时塔内气液温度、速度流场变化情况发现当网格数为60万时，求解基本不随网格数的增大而发生较大的变化。故最终网格数选定为60万。

塔内分为气 -液两相流场，其中气相为连续相、液相为离散相。在模型计算中由于需要考虑液滴运动、液滴蒸发、气体冷凝的因素，采用 La。

grange模型描述塔内液相运动状态。其中液滴的动量方程满足以下关系：d 7，，md F F Fg (1)式中 m --液滴的质量、液滴的速度F F。--拉力、压力、- - 有效质量力、液滴所受的重力P--液滴的密度- - 液滴的体积u--连续相(气体)的速度液滴质量传递方程为： n (2)式中 --质量传递系数P --气体压力P --液滴周围蒸汽压力P --液滴表面蒸汽压液滴能量传递方程为：m dCp，d - A ， (3) - qd j式中 A --液滴表面积C --液滴比热- - 液滴相变潜热qj"--表面热通量喷淋塔内气液两相流场之间存在热量传递，液滴存在蒸发现象，在模型计算中需要选择传热模型及蒸发模型。

气体在喷淋塔内属于圆管流， 大于2300，选择标准K-湍流模型求解流体运动。

由于塔内温度变化幅度范围较大，故黄磷物性参数对求解的准确性有较大影响，其中饱和蒸汽压对求解塔内黄磷相变甚为重要，而黄磷在350-510C问将转化为赤磷，所以对液态黄磷有意义的温度范围为 44.1-350C。通过对比不同黄磷饱和蒸汽压方程，最终采用汤德元、黄乃宝等通过试验测定及推理提出了-新的液态黄磷蒸气压方程 m，]：lgp 0.3250985-[5.850701(1- )1.95809(1- )。]/(44(2≤ ≤35O℃) (4)式中 p --对比蒸汽压- - 对比温度该方程较以往的方程具有更高的准确性，且求解范围较广，能够满足模拟求解的需求。在模FLUID MACHINERY Vd.41，No.2，2013拟计算中气相、液相的密度、比热容、饱和蒸汽等参数均为温度的函数，该方程通过 UDF拈输入 。

采用Lagrange模型求解液相轨迹时需要考虑液滴与墙壁间的相互作用，Weiss、Marocco等通过试验和数值模拟发现塔内压力降可以很好的应用理想碰撞模型预测，但本文在模拟过程中需要考虑塔内粒子轨迹对温度、黄磷蒸汽分布的影响，故模拟中采用 Forder粒子碰撞模型描述粒子与墙壁间 的相互 作 用，该 模 型通 过 UDF模 块 实现 ]4 模拟方案为了研究黄磷喷淋塔工作性能，在模拟过程中以电炉满负荷工作状态为研究基础，在恒定气体入口条件下分别考虑了不同气液比、初始喷淋水温度及液滴直径下黄磷冷凝塔工作性能状态，其中在考察对初始喷淋水温度及液滴直径的考察均是在液气比为 1.95条件下进行。具体参数如表 1～4所示。

表 1 入口气体组成及喷嘴参数速度 温度 组成(质量百分数) 喷淋锥 喷嘴数(m/s) (oC) C0 H2O 角(。)5.75 20o 76.22 23.88 0 60 10该部分参数在模拟过程中不随模拟条件的改变而发生变化。

表2 不同液-气比下模拟参数人口气速 水滴温度 液气比 水滴直径 项目(m/s) (℃) (kg/kg) (mm)方案- 5.75 60.0 1.0 1.O方案二 5.75 60.0 1.5 1.0方案三 5.75 60.0 1.95 1.0方案四 5.75 60.0 2.5 1.0方案五 5.75 6O.0 3.0 1.0表3 不同喷淋水进口温度下模拟参数入口气速 水滴温度 液气比 水滴直径 项目(m/s) (℃) (kg/kg) (mm)方案- 5.75 15.0 1.95 1.0方案二 5.75 25.0 1.95 1.0方案三 5.75 35.O 1.95 1.0方案四 5.75 45.0 1.95 1.0方案五 5.75 60.0 1.95 1.O表4 不同液滴直径下的模拟参数人口气速 水滴温度 液气比 水滴直径 项目(m/s) (℃) (kg/kg) (mm)方案- 5.75 60 1.95 0.75方案二 5.75 6o.0 1.95 1.0方案三 5.75 60.0 1.95 1.1方案四 5.75 60.0 1.95 1.25方案五 5.75 60.0 1.95 1.55 模拟结果及分析在工程上，求解冷却塔冷却效率计算式为 ：竹冷却水进出塔水温差/(逼近度冷却水进出塔水温差)X 100%(5)其中逼近度为冷却塔出水温度与冷却塔进口空气的湿球温度之差。由于需要分析喷淋塔进出塔气体温度，故将冷却塔换热效率公式进行细微修改，修改后的公式为：叼喷淋塔进出塔气体温差/(逼近度喷淋塔进出塔气体温差)×100% (6)其中逼近度为喷淋塔出口气体温度与冷却塔进口喷淋水的温度之差。在极限条件下冷却效率最大，最大冷却效率为 100%。

5.1 液气比对喷淋塔的影响由图2可知，随着液气比的增加，气液换热效率迅速增加，当液气比由1.0增加至1.5时，换热效率由30.O%增至56.2%，增加幅度达 26.2%。

液气比由 1.5增至 1.95时，换热效率增加了10.9%，液气比增至 2.5时，换热效率增幅为10.9%，当液气 比达到 3.0时，换热效率达到82.8%，而其增幅仅为4.9%。

料较蕞辎；褂咖l1液气，(kg/kg)图2 气体换热效率及出口磷含量随液气比的变化由图2推测，如果持续增大液气比，气体换热效率可以持续增大，但增加幅度将会持续减少。

2013年第41卷第2期 流 体 机 械 81随着换热效率的增大，出口气体温度逐渐降低，气体中大量的磷蒸气转化为液态磷由底部液体出口流出，故气体出口中黄磷浓度(质量分率)随着液气比的增加逐渐减少。

斛蛐略图3 液体出口温度及磷含量随液气比的变化从图还可以看出，出口气体中黄磷浓度降低趋势与气体换热效率相同，随着液气比的增加先迅速减少而后变得平缓；出口气体中黄磷浓度最低可达0.44%。

由图3可知，随着液气比的增加，出塔液体温度持续升高，在液气比为 1.0时出口液体温度为72.6℃，液气比增加至 1.5时，液滴温度增加了1.2℃，而当液气 比增至 1.95时液滴温度增至74.2℃，增幅仅为 0.4C，当液气比由 1.95增至2.5、2.5增至3.0时，温度增幅均为0.3℃。出口液体中黄磷的质量分率随着液气比的增大而减少，这是由于液气比的增大，喷人塔内的冷凝水的量增大，虽然液气比的增大气相中黄磷的冷凝量也逐渐增大，但相对于喷淋水的增量，黄磷的增量是有限的，故出口液体中黄磷的质量分率逐渐下降。

在实际生产中，增大喷淋水的流量将会加大受磷槽的工作负荷，同时原料及操作费也将大幅提升，因此需要综合考虑各方面因素做出合理的选择。

5.2 液滴温度对喷淋塔的影响由图4可知，气体出口温度随喷淋水初始温度的上升而升高。这表明较低的喷淋水温度能够较好的降低出口气体温度，但由塔体换热效率曲线可知，当喷淋水温度较低时塔体的换热效率也较低，在液气比为 1.95的操作条件下，塔体换热效率随着喷淋水初始温度的变化在60% -70%之间发生改变。

静蕞赠蛏Ⅱ丑图4 塔体换热效率及气体出口温度随喷淋水进口温度的变化由图5可知，随着喷淋水初始温度的增加，气体出口处的黄磷质量分率逐渐增大，当喷淋水初始温度为15℃时，出口气体中黄磷的质量分率为0.9%，而当初始水温升至60℃时，气体出口黄磷质量分率增至 1.17%左右。液体出口中黄磷的质量分率也随着喷淋水初始温度的上升而增大。

通过对出口液体温度分析发现，不同条件下喷淋水出口温度基本相当，均维持在74C左右。这是由于液体与气体换热其主要有升温吸热和相变吸热两种方式。喷淋水温度越低，升温吸收的热量越多，此时通过相变吸收的热量减少，液滴的蒸发量减小，而液体中黄磷的质量分率也略微降低。

苫咖1略誉I砥Ⅱ丑1.5褂 皿删1.o鬈瓣0.5图5 气体出口及液体出口黄磷浓度随喷淋水进 口温度的变化5.3 液滴直径对喷淋塔的影响由图6可知，随着液滴直径的增大，气 -液换热效率先增加后减校在液滴直径为 0.75mm时换热效率约为64.6%，此时气体出口的平均温度为109.5E，当液滴直径增至 1mm时，换热效率增加至67.2%，气体出口的平均温度为105.9'E。

当液滴直径大于1mm时，气-液换热效率随着液滴直径的增大而迅速减小，液滴直径为 1.25mm时换热效率已经降至44.8%，液滴直径进-步增加至 1.5mm时，气 -液换热效率迅速下降至82 FLUID MACHINERY Vo1. 41，No.2，201320.5%，降幅达 24.3%。由图6推测若液滴直径持续增大，气-液换热效率将继续减小，相应地随着初始液滴直径变化出塔气体温度、黄磷的质量分率也随之发生变化，其变化趋势均为先降低后升高，这是由于随着液滴直径发生变化，塔内气体温度场发生改变，进而影响气体中黄磷的质量分率的变化。

瓣善褂皿噩I略图6 气体换热效率及出El磷含量随液滴直径的变化由图7可知，随着液滴初始直径的增大，液体出口平均温度逐渐减小，表明较小的液滴直径能够吸收较多的热量。出口液体中黄磷的质量分率随着液滴初始直径的增大而减校当液滴直径发生变化时，气液换热面积、气体温度均随之发生改变，塔内黄磷的冷凝量尧生变化，从而使出口液滴中的黄磷质量分率发生改变。

喜糌Ⅲ硎世图7 液体出口温度及磷含量随液滴直径的变化以黄磷生产实际数据及文献[16]为基础，对电炉满负荷(12500kVA)运行时黄磷喷 塔(三塔串联)进行数值模拟，模拟结果及对比值见表5。由表5可知，模拟结果能够较好地符合生产实际。

表5 模型结果对比项目 模拟结果 实际(文献值)出塔气体温度(℃) 50.5 35CO体积分率(%) 92.3 80 90 E ]6 结论(1)液气比对黄磷喷淋塔气 -液换热效率、出口气体黄磷质量分率有较大影响，随着液气比的增加，喷淋塔的换热效率迅速增大，出口气体中黄磷的质量分率随之减校但随着液气比的增加，生产操作费用增加，同时也影响后续工序的运行，故液气比的选择需要综合考虑其他相关公共设施的负荷及操作费用等因素，实际操作条件下较为适宜液气比为 1.5～2.5；(2)喷淋水初始温度对黄磷喷淋塔的气液换热效率及出口气体黄磷质量分率也有较大影响，随着喷淋水初始温度的上升，出口气体温度及气液换热效率逐渐增大。在实际操作中，第 1及第 2座喷淋塔应直接使用受磷槽内的循环水，而若第3座气体出口气体温度尚未达到设计的温度，则可以适量的在循环水中补充部分新鲜水或者增大循环水量以降低第1、第2座喷淋塔气体出口温度；(3)喷淋液滴的直径对气 -液换热效率的影响较为复杂。通过模拟发现随着液滴直径的增大，气液换热效率迅速下降，气体出口温度迅速上升。当液滴直径过小，液滴运动易受到塔内气体运动干扰，此时塔内将可能出现液滴无法覆盖的区域，出口气体温度较高，气液换热效率减校通过对比，推荐液滴直径分布区域为0.9～1mm。