CN112364576A - 一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法 - Google Patents

一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，属于喷淋塔类气液反应器技术领域。该方法包括：S1：设定喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数，确定评价截面，设定设计目标参数，截面最小液气比γ和液气比均匀性指标σ；S2：构建喷淋塔模型，划分网格，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场；S3：获得评价截面气体流量分布Q和喷淋强度分布t；S4：计算评价截面液气比分布LQ；S5：评价喷淋塔气液接触效果。若满足设计要求则结束，若不满足设计要求则返回步骤S1调整喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数。本发明可高效评价喷淋塔内气液接触效果，为喷淋塔的优化设计提供方法。

Description

一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法
技术领域
本发明属于喷淋塔类气液反应器技术领域，涉及一种喷淋塔气液接触评价及优化设计方法。
背景技术
喷淋塔广泛应用于气体净化领域，通过喷嘴将吸收液喷入喷淋塔内与气体中待净化的成分反应，从而起到气体净化的目的。喷淋塔实质上属于一种气液反应器，对于气液反应的过程可分为以下三个步骤：
1)待反应气体与喷雾(液体)相接触；
2)气体中的溶质向喷雾液体内扩散；
3)发生中和反应或吸收反应，实现气体净化。
以上各步骤中，前两步是影响气体净化效果的决定性因素。而气体与喷雾的有效接触是后续扩散传质及反应的前提条件，因此强化喷淋塔内气液接触对于提高喷淋塔气体净化效果尤为重要。
而目前对于喷淋塔的设计侧重于喷淋塔内气流的均匀性以及喷嘴喷淋覆盖均匀性两方面。缺乏对气液接触效果的评价方法，进而对于喷淋塔优化设计也缺乏量化的指标和方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，可高效评价喷淋塔内气液接触效果，为喷淋塔的优化设计提供方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，具体包括以下步骤：
S1：设定喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数，确定评价截面位置，设定设计目标参数，截面最小液气比γ和液气比均匀性指标σ；
S2：构建喷淋塔模型，划分网格，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场；
S3：获得评价截面气体流量分布Q和喷淋强度分布t；
S4：计算评价截面液气比分布LQ＝t/Q；
S5：评价喷淋塔气液接触效果；
S6：根据步骤S5得到的气液接触效果调整喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数，使喷淋塔气液接触效果最优。
进一步，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：设定喷淋塔均流结构参数；
所述喷淋塔均流结构是由布置在喷淋塔内的多孔板组成，所述喷淋塔均流结构参数包括多孔板开孔直径和开孔率；
S12：设定喷嘴布置方案参数，包括：喷嘴数量N，喷嘴坐标(Xi,Yi)、喷嘴喷角αi、喷嘴流量Si和喷嘴有效喷射距离Hi，其中下标i取值范围为1～N；
S13：确定评价截面位置；
所述评价截面位于喷淋塔内，与喷嘴所在截面距离H′i为H′i＝(0.5～1)×Hi。
进一步，所述步骤S2具体包括：利用三维绘图软件构建喷淋塔模型，将该喷淋塔模型导入ANSYS软件，划分网格，设定喷淋塔模型边界条件，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场。
进一步，步骤S3中，所述评价截面气体流量分布Q(x,y)计算方法为：Q(x,y)＝u(x,y)A(x,y)，其中，u(x,y)为坐标(x,y)所在网格的平均速度，A(x,y)为坐标(x,y)所在网格的截面面积，u(x,y)和A(x,y)均可通过软件ANSYS导出。
进一步，步骤S3中，所述喷淋强度分布t(x,y)的计算公式为：
Figure BDA0002768583000000021
其中，
Figure BDA0002768583000000022
Figure BDA0002768583000000023
进一步，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S51：计算评价截面低液气比区域的总气体流量为：
Qs＝∑[Q(x,y)*n(x,y)]
其中，
Figure BDA0002768583000000024
S52：计算评价截面液气比分布离散系数C为：
Figure BDA0002768583000000025
其中，σLQ为LQ的标准差，
Figure BDA0002768583000000026
为LQ的平均值；
S53：判断，若
Figure BDA0002768583000000027
且C≤σ，则气液接触效果满足设计目标，否则不满足设计目标。
进一步，所述步骤S6具体包括：当评价喷淋塔气液接触效果不满足设计目标时，多孔板开孔直径和开孔率的调整方法为：
对于LQ(x,y)≤γ的区域，减小多孔板开孔直径和开孔率，增大N和Si；
对于
Figure BDA0002768583000000031
的区域，增大多孔板开孔直径和开孔率，减小N和Si。
本发明的有益效果在于：本发明可高效评价喷淋塔内气液接触效果，为喷淋塔的优化设计提供方法，使得最终设计出的喷淋塔喷淋效果最优。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法的流程图；
图2为喷淋塔结构示意图；
图3为喷淋层截面喷枪布置示意图；
图4为多孔板开孔示意图；
附图标记：1-出口；2-塔体；3-进口；4-喷淋层；5-评价截面；6-多孔板；7-排水口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图4，图1为高炉煤气干法脱硫系统中喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法流程示意图，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：设定喷淋塔均流结构参数和喷淋层上的喷嘴布置方案参数，确定评价截面位置，设定设计目标参数，截面最小液气比γ和液气比均匀性指标σ。具体包括以下步骤：
步骤1.1：设定喷淋塔均流结构参数；
喷淋塔均流结构是由布置在喷淋塔内的多孔板组成，所述喷淋塔均流结构参数包括多孔板开孔直径和开孔率；
步骤1.2：设定喷嘴布置方案参数，包括：喷嘴数量N，喷嘴坐标(Xi,Yi)、喷嘴喷角αi、喷嘴流量Si和喷嘴有效喷射距离Hi，其中下标i取值范围为1～N；
步骤1.3：确定评价截面位置；
评价截面位于喷淋塔内，与喷嘴所在截面距离H′i为H′i＝(0.5～1)×Hi。
步骤2：构建喷淋塔模型，划分网格，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场。
优选的，可利用三维绘图软件构建喷淋塔模型，将该模型导入ANSYS软件，划分网格，设定喷淋塔模型边界条件，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场。
步骤3：获得评价截面气体流量分布Q和喷淋强度分布t。
评价截面气体流量分布Q(x,y)计算方法为：Q(x,y)＝u(x,y)A(x,y)，其中，u(x,y)为坐标(x,y)所在网格的平均速度，A(x,y)为坐标(x,y)所在网格的截面面积，u(x,y)和A(x,y)均可通过软件ANSYS导出。
喷淋强度分布t(x,y)的计算公式为：
Figure BDA0002768583000000041
其中，
Figure BDA0002768583000000042
Figure BDA0002768583000000043
步骤4：计算评价截面液气比分布LQ＝t/Q。
步骤5：评价喷淋塔气液接触效果。若满足设计要求则流程结束；若不满足设计要求则返回步骤S1调整喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数。具体步骤为，
步骤5.1：计算评价截面低液气比区域的总气体流量为：
Qs＝∑[Q(x，y)*n(x，y)]
其中，
Figure BDA0002768583000000051
步骤5.2：计算评价截面液气比分布离散系数C为：
Figure BDA0002768583000000052
其中，σLQ为LQ的标准差，
Figure BDA0002768583000000053
为LQ的平均值；
步骤5.3：判断，若
Figure BDA0002768583000000054
且C≤σ，气液接触效果满足设计目标；则不满足设计目标。
当评价喷淋塔气液接触效果不满足设计目标时，返回步骤1整喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数，具体为：对于LQ(x，y)≤γ的区域，减小多孔板开孔直径和开孔率，增大N和Si；对于
Figure BDA0002768583000000055
的区域，增大多孔板开孔直径和开孔率，减小N和Si。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：设定喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数，确定评价截面位置，设定设计目标参数，截面最小液气比γ和液气比均匀性指标σ；
S2：构建喷淋塔模型，划分网格，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场；
S3：获得评价截面气体流量分布Q和喷淋强度分布t；
S4：计算评价截面液气比分布LQ＝t/Q；
S5：评价喷淋塔气液接触效果；
S6：根据步骤S5得到的气液接触效果调整喷淋塔均流结构参数和喷嘴布置方案参数，使喷淋塔气液接触效果最优。
2.根据权利要求1所述的喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：设定喷淋塔均流结构参数；
所述喷淋塔均流结构是由布置在喷淋塔内的多孔板组成，所述喷淋塔均流结构参数包括多孔板开孔直径和开孔率；
S12：设定喷嘴布置方案参数，包括：喷嘴数量N，喷嘴坐标(Xi,Yi)、喷嘴喷角αi、喷嘴流量Si和喷嘴有效喷射距离Hi，其中下标i取值范围为1～N；
S13：确定评价截面位置；
所述评价截面位于喷淋塔内，与喷嘴所在截面距离H′i为H′i＝(0.5～1)×Hi。
3.根据权利要求2所述的喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：利用三维绘图软件构建喷淋塔模型，将该喷淋塔模型导入ANSYS软件，划分网格，设定喷淋塔模型边界条件，采用CFD技术计算喷淋塔内部流场。
4.根据权利要求3所述的喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，步骤S3中，所述评价截面气体流量分布Q(x,y)计算方法为：Q(x,y)＝u(x,y)A(x,y)，其中，u(x,y)为坐标(x,y)所在网格的平均速度，A(x,y)为坐标(x,y)所在网格的截面面积，u(x,y)和A(x,y)均通过软件ANSYS导出。
5.根据权利要求4所述的喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，步骤S3中，所述喷淋强度分布t(x,y)的计算公式为：
Figure FDA0002768582990000011
其中，
Figure FDA0002768582990000021
i＝1～N，
Figure FDA0002768582990000022
6.根据权利要求5所述的喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S51：计算评价截面低液气比区域的总气体流量为：
Qs＝∑[Q(x,y)*n(x,y)]
其中，
Figure FDA0002768582990000023
S52：计算评价截面液气比分布离散系数C为：
Figure FDA0002768582990000024
其中，σLQ为LQ的标准差，
Figure FDA0002768582990000025
为LQ的平均值；
S53：判断，若
Figure FDA0002768582990000026
且C≤σ，则气液接触效果满足设计目标，否则不满足设计目标。
7.根据权利要求6所述的喷淋塔气液接触效果评价及优化设计方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：当评价喷淋塔气液接触效果不满足设计目标时，多孔板开孔直径和开孔率的调整方法为：
对于LQ(x,y)≤γ的区域，减小多孔板开孔直径和开孔率，增大N和Si；
对于
Figure FDA0002768582990000027
的区域，增大多孔板开孔直径和开孔率，减小N和Si。
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