刮膜式分子蒸餾蒸發液膜模擬中兩種湍流模型的比較 PDF
向愛雙 許松林
(天津大學化工學院國家精餾技術中心, 天津 300072)
1 概述
刮膜式分子蒸餾是分子蒸餾的一種, 它與降膜式和離心式分子蒸餾的不同主要在于形成蒸發液膜的作用力不同. 隨著刮膜轉子的快速轉動, 液體在蒸發表面上形成均勻的液體薄膜, 加強了傳熱、傳質過程, 顯著縮短了物料的停留時間, 從而能避免物料的熱分解. 根據文獻, 降膜式和離心式分子蒸餾的蒸發液膜呈現層流流動[1]. 但對刮膜式分子蒸餾來說, 液膜流動至少在刮膜轉子附近是湍流狀態的.
利用CFD軟件模擬蒸發液膜的流體流動來研究刮膜式分子蒸餾, 是一種新的理論研究方法. 根據理論分析, 可以建立RNG和Realizable k-ε 兩種湍流模型研究近壁面湍流流動, 但是這兩種模型的優越性需要在實際模擬中加以比較[2]. 研究中還建立了VOF多相流模型來追蹤氣液相界面, 模擬液面的波動情況, 并采用了增強壁面函數方法進一步處理近壁面情況. 在旋轉坐標下, 分別針對上述兩種湍流模型進行求解, 并比較了兩種模型下的模擬結果. 主要包括液面波動情況的比較、特殊點處流速隨模擬時間變化的比較、流場區域內流體流速、湍動能及湍流耗散率等高線和收斂性等方面的比較.
2 基本假設
旋轉刮膜式分子蒸餾裝置的蒸發器內設置了一個轉動的刮膜器, 使物料均勻地覆蓋在加熱面上, 強化了傳熱和傳質,縮短了停留時間, 降低了熱分解性, 工業上應用比較廣泛[3]. 但由于物料在流動的同時也加入了機械力的作用, 導致分子蒸餾過程的傳熱、傳質研究變得異常復雜. 圖1為計算所參考的刮膜式分子蒸餾裝置[4], 液膜位于加熱夾套2與刮膜轉子4之間的部分, 轉子是由三根成120°, 直徑為4 mm的金屬柱組成的.
操作中, 轉子的轉速一般為(120±30) rpm, 液膜切向速度遠大于重力引起的軸向速度. 此外, 液膜的軸向距離(20 cm)遠大于液膜厚度(0.01~0.025 cm, 計算中選取0.05 cm). 實際操作為高真空(絕對壓力大于0.01 Pa), 存在傳質和傳熱, 非常復雜. 因此, 為簡化計算, 僅考慮不可壓縮液膜并忽略傳質和傳熱的情況. 基于以上分析, 作如下假設: (1) 重力對流動影響忽略不計; (2) 液膜軸向速度無變化, 僅切向和徑向速度改變; (3) 計算流體為不可壓縮的.……
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