自吸式文丘里洗涤器运动特性及强化机理的模拟研究*

郑 毅，赵祥迪，杨 帅，赵桂利，张日鹏，王 正，袁纪武

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 含气危化品泄漏处置技术研究进展

据不完全统计，2015～2019年间，全国发生危化品泄漏事故5 000余起，伤亡47 700余人，泄漏引发的爆炸、中毒和窒息事故数量占总事故量的1/3以上。泄漏出来的危化品通常与有毒有害、易燃易爆气体共存，处理不当极易引起事故扩大，增大安全处置的难度，开发高效泄漏危化品应急处置工艺和装置，对降低应急处置不当引起的事故扩大，大幅减少危化品泄漏物引发的爆炸、中毒等次生衍生事故具有重要意义。

泄漏到环境中的气体危化品由于浓度低，因此传质效率差，常规工艺与装备无法对其进行高效处置，其强化机理一直都是研究重点。自吸式文丘里洗涤器具有装置结构简单、传质效率高、安全性高等优点，在有毒有害气体洗消和核电厂的放射性气载源处置等领域有着广泛应用。根据液体与出口的高度文丘里洗涤器分为浸没式和非浸没式，通常由收缩管、喉部以及扩散管组成。自吸式文丘里洗涤器的性能参数与吸液压差、液体高度、扩压管张角、喉部间距、喷嘴出口等结构和工艺参数有关。

Ali等对文丘里洗涤器洗消放射性碘离子的效果进行了研究，发现非浸没式文丘里只有雾化的液滴参与碘离子的吸收与脱除，而浸没式文丘里洗涤器，液滴和液膜均参加了吸收过程，脱除效率可达99%。Lee等研究了不同水力和气溶胶条件下，洗涤器喷嘴对吸收效果的影响，发现洗涤效率与气溶胶粒径、蒸气质量分数、浸没高度以及入口气溶胶浓度有关，净化效率可达97%。N.P.Gulhane等发现当吸收液pH=10时，洗涤器对碘离子的脱除效率最好。M.Lehner的研究表明，自吸式文丘里洗涤器适合收集粉尘粒子和气溶胶，多级注入可以提高洗涤液的分离效率。赵祥迪等开发了中式规模的气体危化品文丘里吸收装置，研究了内构件对雾滴直径和引射量的影响，发现挡板的加入减小了液滴直径，强化雾化作用，液滴直径平均降低了15%。

此外，为明确文丘里洗涤器内部的流场特性和传递规律，CFD模拟也被用于文丘里洗涤器内部的运动特性研究中，Ali等采用CAB模型，对文丘里洗涤器内部的破碎特性进行了分析，模拟结果与实验结果吻合良好。刘传超利用标准

k

-

ε

湍流模型对喷射器结构进行了优化，获得了结构参数、操作参数与喷射器性能之间的变化规律，确定了最佳结构参数。杨帅等采用双流体模型和组分输运模型研究了文丘里洗涤器对HS吸收效果的影响，发现最大反应速率出现在喉部上扩大段长度5%处，研究也表明气速增大，扩大段内气液体间化学反应速率提高，洗涤器出口处HS浓度降低，洗涤效率增大，洗涤时间缩短。

尽管很多学者对文丘里洗涤器的吸收效果和内部流场进行了研究，但绝大部分的研究主要集中在操作参数，扩散角以及喷嘴形式，而通过内部微流场调控液滴直径强化吸收的研究比较缺乏。为此，本研究利用CFD模拟，通过对危化品洗消过程的核心部件-文丘里洗涤器内部的流场进行初步分析，探明了影响文丘里洗涤器吸收效果的核心因素，详细讨论操作参数对洗涤器吸收效果的影响，发现文丘里洗涤器内部流场分布的不均是影响洗涤效果的重要因素，提出了利用挡板结构促进洗涤器气液分散，强化气液吸收的新思路，为危化品洗消装备核心部件文丘里洗涤器的结构设计和改进提供参考数据。

1 自吸式文丘里洗涤器物理模型

1.1 自吸式文丘里洗涤器基础模型设置与模型选择

建立的文丘里洗涤器模型基于前期自行开发的推车式泄漏危化品洗消装备，如图1所示。根据实验工况，讨论了气速、喉部间距、进口压力以及挡板分布器等对文丘里洗涤器内部流场的影响。考虑到实际效果选择了以下工况进行研究，入口气速9.1～18.4 m/s，喉部间距分别为0和13 mm，浸没高度选取为喉管高度的入口高度差的25%～100%为研究对象，文丘里洗涤器内设置挡板选择实验中效果较好的A型，具体设计参数见图1。

图1 文丘里洗涤器模型示意与边界条件

1.2 自吸式文丘里洗涤器两相流模型与边界条件设置

选用Fluent中的双流体模型(Mixture)对自吸式文丘里洗涤器内气液的流动过程进行数值模拟，气液流动采用空气-水体系，g和l分别代表气体和液体，使用欧拉坐标进行描述，连续性方程可以写为：

(1)

(2)

式中：

ε

——相体积分数；

ρ

——密度，kg·m；

u

——真实速度，m·s；

δ

——相间质量交换速率，kg·m·s。

动量守恒方程：

(3)

(4)

式中：

p

——压力，Pa；

τ

——切应力，N；

β

——相间动量交换系数。

相间动量交换系数：

(5)

式中：

F

——气液体间曳力，N；

u

——气体速度，m·s；

u

——液体速度，m·s。文丘里洗涤器内气液流动呈现湍流状态，选择RNG

k

-

ε

模型作为湍流模型，近壁处理选择标准壁面方程。数值模拟中的关键参数设置如表1所示。

表1 数值模拟参数

1.3 自吸式文丘里洗涤器网格划分与无关性验证

为避免网格的尺寸对实际模拟结果产生影响，对模型进行了网格无关性验证，网格为四面体非结构网格，网格数分别为151 914，230 340，418 296,590 592，入口流速为18.4 m/s。由图2可知，流场稳定后不同网格计算的引射量几乎相同，误差<1.5%，后续为节省计算时间用418 296的网格对文丘里洗涤器内气液流场进行模拟。从引射量和实验数据的对比值也可以看出，除低流速阶段外，构建的模型模拟结果与实验结果误差都在20%之内。

图2 网格无关性验证与模型验证

2 结果分析与讨论

2.1 操作参数对文丘里洗涤器的影响

图3～图4为入口气速对文丘里洗涤器内部体积分布与湍动能的影响。对于文丘里洗涤器，流体经过喉部后，静压能转变为动能，压力降低，与液体入口形成压力差，把液体自发吸入文丘里洗涤器内部。经过喉部后气液混合物流速降低，静压逐渐升高，经扩散段后气液混合物流出洗涤器。受文丘里洗涤器入射角度的影响，只有小部分液体进入中间区域，被气体分散成液滴，而绝大部分受气体剪切作用的影响，直接贴到了文丘里洗涤器管壁，形成连续液膜，最终在文丘里洗涤器内部维持雾环状流。

图4 入口气速液体体积分数分布

而当气速从9.1 m/s增加到18.4 m/s时，文丘里洗涤器喉部压力下降明显，压力差增加，引射量上升，从0.11 kg/s增加到0.53 kg/s，增加了约5倍。引射量是衡量文丘里洗涤器性能的重要参数，较高的气速有利于提高文丘里洗涤器的整体性能。研究也表明，湍动能的变化主要发生在文丘里洗涤器气液接触的中心区域，且随气速的增加而增加。这表明随气速增加，气体对液体的剪切能力和雾化能力增强，单位质量的做功能力提高，液体在中心区域的体积分数变大，中心区域的离散的总雾滴量增加，气液界面的碰撞频率增大，传质得到强化，如图3所示。但是也必须要说明，危化品气体洗消是一个气体与液体接触传质的过程，化学反应也受到接触时间的影响，气速增加意味着气液接触时间减少，吸收效果弱化。故需要进一步的研究来分析液滴雾化率和液滴直径，获得气速对文丘里洗涤器吸收效果的影响。

图3 内部速度、压力分布与湍动能变化规律

研究也发现，在文丘里洗涤器内部，湍动能和湍流强度在洗涤器中心区域强度较大，在喉部位置处取得最大值，管壁处为最小值。表明喉部和洗涤器的中间区域是气体与液体碰撞发生的区域，气液脉动速度大，扰动强，为吸收的核心区域。因此，对于非浸没文丘里而言，管壁处的液膜几乎不参与反应。故而，降低引射流体的贴壁作用，促进壁面处的液膜远离壁面，进入中心区域，是提高非浸没文丘里洗涤器气液吸收的关键因素。

图5为浸没高度对气液混合性能的影响。自吸式文丘里洗涤器与喷射式文丘里不同，浸没高度代表着喉管与进液口的高度，影响着液体进入文丘里洗涤器的动力。考虑到先前开发的洗消装备为文丘里洗涤器和填料塔并联使用，故只讨论非浸没式文丘里洗涤器。从图5可以看出，在相同的气体流量下，随着浸没高度的降低，气体的引射量下降，当浸没高度降至1/4时，引射量约为最大值的10%，因此在后续的新型洗消装备设计上，需对系统进行修改，采用浸没式进料。

图5 浸没高度对液体体积分数的影响

图6和图7为喉部间距对气液混合性能的影响，入口气速为18.4 m/s，喉部间距分别为0和13 mm。研究表明，喉部间距对于文丘里内部的流场混合产生两方面影响：①降低了的引射量；②改变了在文丘里洗涤器内部的分布情况，喉间距的增加，降低了液膜在管壁附着量，增加了在文丘里洗涤器中间区域的分布。这是因为喉部间距的增加，减小了外套管的最小径，增加了气液两相的流动阻力，降低了有效压差，因此总引射量降低。随着外套管最小径的减小，气液两相在外套管扩散段入口处的流通面积降低，增大了气体在管中心的分布，如图7所示。增加了气液间的碰撞概率，强化了气-液两相间的传质。

图6 不同喉部间距时液体分布

图7 不同喉部间距对不同平面处液体体积分数的影响

进一步的研究也表明，液体体积分数随截面位置的不同也会产生明显变化。

z

=0.2 m时，喉部出口速度较大，气体对液体冲击较强，绝大部分液体被推到管壁处，故喉部间距对扩散段中心区域液体体积分数影响不大。而对于离出口段更近的

z

=0.4 m界面，气液逐渐减速，液体逐渐向中心区域靠拢，降低了壁面液膜的体积分率，对于传质有利。从上述的研究可以看出，对于非浸没式文丘里洗涤器，高速运动的气体更趋向于把引射液体推向壁面，只有少部分留在了中心区域，该部分的比例只占到了总量的5%，而由文献的数据可知，对于非浸没式文丘里洗涤器只有分散的雾滴才会和气体发生传质，因此改变液体体积分布，促进液体向中心区运动，形成雾滴对于强化整体文丘里洗涤器具有更重要的价值。

2.2 挡板分布器对气液混合性能的影响

研究已表明，对于非浸没式文丘里洗涤器，受气体剪切作用的影响，引射液体趋向于向管壁处运动，不利于与气体接触传质。故通过添加挡板式内构件，驱动引射液体向文丘里洗涤器中间运动，促进气液接触传质，对于强化危化品洗消具有重要意义。

图8为挡板分布器对文丘里洗涤器内部的液体分布的影响，对应入口气速为18.4 m/s。从图8可知，受到挡板阻碍作用的影响，引射的液体无法沿着贴壁的方向通过挡板，气体碰到挡板后会发生边界层分离，重新返回中心区域，液体更倾向于在中央分布，形成了气液的二次接触和分散，引射液体的贴壁现象降低，使得气-液间的碰撞概率增多。加之受挡板分布器的影响，延程阻力损失增加，引射量下降，在维持入口相同的气速情况下，气体对液体做功能力增加，壁面处的液膜又被重新分散成水雾，降低了液体分布的总体不均匀性。研究也表明，这种二次分散作用，随着喷嘴距离的增加而加强。在距离喷嘴出口

z

=0.2 m处，由于离喉部较近，气速较大，气液混合强度大，挡板分布器对液体分布的作用不明显，如图9所示。但随着距离的增加(

z

=0.4 m处)，挡板分布器对文丘里洗涤器内部的气液分布的效果开始增加，贴壁效应显著下降，壁面处液体分率从0.008降至0.004 5，液体的均匀度增加。这显著增加了中央区域气体和液体的接触概率，强化了气液界面的扰动频率，促进了吸收传质。

图8 有无挡板结构时液体分布

图9 径向液体分布

3 结论

利用三维CFD模拟对非浸没式文丘里洗涤器的引射特性、内部压力和速度分布规律进行了研究，详细分析了气速、喉部间距以及浸没高度等设计参数对文丘里洗涤器的引射特性和气液分布特性的影响，得到了气液体在非浸没式文丘里洗涤器内部的分布特性和运动规律，提出了利用挡板分布器调控气液体分布，强化扰动的新方法，具体结论如下。

a)非浸没式文丘里洗涤器扩散段内液体流动属于雾环状流，液体通过喉部处形成的内外压差进入洗涤器内部，绝大部分液体受气体剪切作用而紧贴管壁，少部分被高速运动的气体分散成雾滴；引射量随入口气速的增加而增大，当气速从9.1 m/s增至18.4 m/s时，引射量增加了约5倍。

b)随液体浸没高度的降低，引射量下降，液体的贴壁效应增加，当浸没高度为1/4时，引射量约为最大值的10%，总体传质效果降低；喉部间距的提高，降低了管壁液体的附着量，增加了在文丘里洗涤器中间区域的分布，提高了气-液体的碰撞概率。

c)挡板分布器的加入改变了文丘里洗涤器内部的气液分布状况，促进了的扰动，降低了液体的贴壁量，提高了均匀性，但会降低引射量，其结构需要进一步优化，因此添加内构件，调节内部流场对于强化文丘里洗涤器的分离特性，促进危化品吸收，大幅减少危化品泄漏物引发的爆炸、中毒等次生衍生事故具有重要意义。