分离过程模拟（共10篇）
分离过程模拟 篇1
2009年7月31日收到 中国博士后科学基金项目(200801275)
特别资助游离水脱除设备有卧式和立式结构两种。但是大量的理论和实践证明:立式结构的油水覆盖面积小,油水分离慢;卧式结构油水界面与水出口距离短、分离时间不足。为了克服上述这些缺点,将卧式和立式结构相结合采用仰角设计。这种仰角式游离水脱除离器是一种采用重力油水分离方法的油水分离设备。采用仰角结构后,设备的水出口与油水界面的有效长度增大、油滴浮升面积增大,从而提高了设备的分离效率[1,2]。在仰角式游离水脱除器的设计方案中,仰角的大小是一个关键参数,合适的仰角对提高脱除器的分离效率意义重大。笔者借助流体计算软件Fluent,以油水两相介质为研究对象,分析了仰角式游离水脱除器内部流场的分布规律和油水两相流的分离特性,以及不同仰角对脱除器分离效率的影响,并结合现场试验确定仰角式游离水脱除器的最佳仰角。
1 控制方程
对于油水分离问题, 仰角式游离水脱除器内两相流体的流动规律由流体力学基本方程控制[3,4,5,6,7,8]。根据本文所研究的问题,采用多相流欧拉分析方法,结合标准k-ε湍流模型进行数值模拟,并采用欧拉模型来描述仰角式游离水脱除器中的油水两相流动。
对于湍流的不可压缩流动,其时均方程的张量形式如下:
连续方程:
动量方程(Navier-Stokes):
一般来讲,对于黏性为常数的不可压缩流体,sx=sy=sz=0。
湍动能k方程为:
式(8)中
湍流能量耗散ε方程为:
式(10)中ρ—密度;p—压力;u、v、w—分别为x,y,z方向的速度;k—单位质量湍动能;ε—单位质量能量耗散率;μeff、μt、μ—分别为有效黏性系数、湍流黏性系数,动力黏性系数。
在标准的k-ε模型中,根据Launder等的推荐值及后来的实验验证,模型常数C1ε=1.44、C2ε=1.92、σk=1.0、σε=1.3。
2 网格的划分及边界条件的确定
2.1 脱除器模型的网格划分
以12°仰角为例,将脱除器简化为长为18 m,直径为0.9 m,一个进液口,一个出水口及一个出油口的计算模型,进液口直径为0.2 m;出口直径0.15 m。脱除器部分采用结构化网格,进液口和出口处采用非结构网格[9],网格划分结果如图1所示。
2.2 确定边界条件
介质为油水混合物,主相为水,密度为992.45 kg/m3,黏度为0.72 mPa·s,次相为油,密度为849.42 kg/m3,黏度为90.7 mPa·s,将流体定义为不可压缩流体。
(1) 进口边界:
根据油田日处理量为2 400 m3计算得到进液口截面法向时均速度值为0.86 m/s,进液口直径为0.2 m,进口压力为0.2 MP。
(2) 出口边界:
出口静压为标准大气压(1.013 25×105 Pa),上端油相出口和下端水相出口直径相同都为0.15 m。
(3) 固壁边界:
壁面为无滑移边界条件,默认壁面粗糙度为0.5。
(4) 初始条件:
初始设分离器内液体含水体积百分比:88%,含油体积百分比:12%;进口液体:含水88%,含油12%,温度为38.7 ℃。
3 计算结果与分析
3.1 不同倾角的模拟计算
分别对仰角为0°、9°、12°、15°游离水脱除器进行数值模拟,所得模拟结果如图2,3所示。从图中曲线可以看到出油口处油中含水值最小时的最佳仰角为12°,出水口处水中含油值最小时的最佳仰角为15°,但考虑到脱除器决定分离效率高低的关键参数是油中含水量这个指标,所以确定仰角为12°时的分离器的分离效率最高,出油口的油中含水体积百分比7.6%。
3.2 仰角式游离水脱除器内的油水分离过程
图4给出仰角式游离水脱除器油水两相随时间分离过程中的分布情况。图中浅色和深色分别代表水和油[10](分散相浓度分别为0和1),图中展示了油水两相由开始混合的均相流在脱除器内逐渐分离、聚并、迁移的过程,并且可以清晰看出油相出口处的油相介质体积浓度随着时间的变化。
3.3 现场试验
根据模拟结果指导现场试验,在某采油厂转油站分别对仰角为0°、9°、12°、15°游离水脱除器的分离效果进行现场试验,得到实验结果如图5所示。从图中曲线可以看出,仰角为12°时的油中含水率值最低,分离效果最好。
3.4 模拟结果与现场试验数据对比
仰角为12°时的试验数据和模拟结果对比结果如图6、7所示,可见两者误差很小,模拟结果准确率较高。现场试验结果和室内模拟结果存在一定误差,有两个方面的原因,一方面是Fluent模拟计算中所进行的一系列简化造成的误差;另一方面是试验过程导致的误差,所以会使试验和模拟结果在数值上有所区别。但是,试验结论和模拟结论的趋势是基本相符的。
4 结论
(1) 基于计算流体动力学的原理和方法,采用多相流欧拉分析方法,结合标准k-ε湍流模型,对仰角式游离水脱除器的油水两相流场进行了三维数值模拟。
(2) 根据Fluent模拟油水分离过程体积浓度云图可以清晰看出油相出口处的油相介质体积浓度随着时间的延长,油水分离效果越来越好,在20 min时分离效果达到最佳。
(3) 通过数值计算得到了不同仰角时游离水脱除器的水中含油和油中含水值,对模拟结果进行深入分析,分析结果表明当游离水脱除器的仰角为12°时,脱除器分离效率达到最高,出油口的油中含水体积百分比为7.6%。
摘要：仰角式游离水脱除器属于重力式油水分离设备,其分离效率高于立式和卧式脱除器。为了分析脱除器仰角对分离效果的影响,采用多相流欧拉分析方法,结合标准k-ε湍流模型对脱除器的内部流场进行了数值模拟。分析了脱除器在不同仰角时油水两相由开始的均相流逐渐在脱除器内分离、聚合、迁移的过程,研究了油水两相体积浓度随时间的变化规律。模拟结果表明,脱除器仰角为12°时,分离效率最高,出油口油中含水体积百分比为7.6%。
关键词：脱除器,油水分离,湍流模型,数值模拟
参考文献
[1]庄建远,王国丽,翁维珑.国外油气田地面工艺技术发展动向.石油规划设计,2003;14(1):45—53
[2]李波,周世俊.含油污水处理技术.辽宁化工,2007;36(1):74—75
[3]吴子牛.计算流体力学基本原理.北京:科学出版社,2001
[4]王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社,2004
[5]韩占忠,王敬,兰小平.FlUENT流体工程仿真计算实例与应用.北京理工大学出版社,2004
[6]王瑞金,张凯,王刚,等.FLUENT技术基础与应用实例.北京:清华大学出版社,2007
[7]刘晓敏,檀润华,刘银梅.旋流分离的湍流涡动数学模型及数值模拟.流体机械,2006;34(10):31—51
[8]林建忠.流-固两相拟序涡流及稳定性.北京:清华大学出版社,2003
[9]钟功祥,庞学东,吕志中.井下油水分离漩流器数值仿真分析.石油矿场机械,2009,38(2):55—58
[10]黄思.水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟.华南理工大学学报(自然科学版),2006;34(11):26—28
分离过程模拟 篇2
稀土分离过程废水综合利用研究
摘要：稀土分离过程产生的氨性废水用于稀土原地浸矿,其他废水在稀土分离工序间转换、再利用;利用废水中的有价成分,减少生产中化工材料消耗,减少废水的处理量,综合利用后废水减排50.07%,减排氨氮1.6 t/a,减排COD 12.2 t/a,废水处理费用从综合利用前8～10元/m3降至6～8元/m3.作 者：张选旭 杨新华 李才生 Zhang Xuanxu YANG Xinxua LI Caisheng 作者单位：寻乌南方稀土有限责任公司,江西,寻乌,342200期 刊：江西冶金 Journal：JIANGXI METALLURGY年，卷(期)：2010,30(3)分类号：X756关键词：稀土分离 废水 综合利用
分离过程模拟 篇3
关键词：橘皮精油；柠檬烯；气液相平衡；减压精馏；工艺模拟
中图分类号： TQ028.4；TS201.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0308-03
柑橘属于芸香科植物，作为柑橘主要功能性成分的柑橘精油含有60%～95%的柠檬烯，柠檬烯具有多种生理、生物活性，在食品、农药、医药、工业等众多领域中有广泛的应用。分离后的精油稳定性提高，可作为天然的食品添加剂、赋香剂。我国拥有丰富的柑橘资源，但其果皮只有极少量作为中药材被利用，大部分作为垃圾被丢弃，研究从柑橘油中提取柠檬烯有着重要的意义。超声波辅助提取法、分子蒸馏、超临界CO2萃取还未在工业化生产中大规模应用；传统的水蒸气蒸馏法、有机溶剂浸提法，提取时间长、提取率较低。徐宁等通过比较减压精馏、水蒸气精馏提纯柠檬烯得出，前者的分离效果较好。减压蒸馏法能避免柠檬烯在高温情况下发生氧化、聚合、异构化等化学反应，保证产物品质、纯度[1]。本研究应用化工流程模拟软件Aspen Plus分析柠檬烯与橘皮油其他主要成分的二元系统在0.5 kPa下相平衡关系，然后建立精馏分离模型，对橘皮油进行工艺模拟及优化计算。
1 气-液相平衡模拟研究
1.1 研究对象
柑橘精油成分繁多，郭润霞等采用GC-MS技术从温州蜜柑皮精油中检出90种香气成分[2]。不同品种柑橘的精油成分不尽相同[3-7]，主要为烯烃类、醇类。烯烃类有d-柠檬烯（d-limonene）、侧柏烯（2-thujene，3-thujene）、α-蒎烯（α-pinene）、β-蒎烯（β-pinene）、3-蒈烯（3-carene）、罗勒烯（ocimene）、异松油烯（α-terpinolene）、β-月桂烯（β-myrcene）、γ-松油烯（γ-terpinene）、对伞花烃（cymene）；醇类有芳樟醇（linalool）、α-萜品醇（α-terpineol）、辛醇（octanol）、香茅醇（citronellol）；还有极少数的醛类、酯类如葵醛（decanal）、橙花醇乙酸酯（neryl acetate）。气-液相平衡数据对于减压精馏提纯柠檬烯具有重要指導意义，但柑橘精油成分复杂，目前通过试验获得柠檬烯体系的气-液相平衡数据还不充分，即使从众多的纸质文献或电子文献中找到相平衡数据，还须用相应的方程回归参数才能用于相平衡的相关设计中。化工流程模拟软件Aspen Plus中包含了大量的相平衡方程参数，为此笔者采用改进的基团贡献法（UNIFAC-DMD），用Aspen Plus软件计算常见品种橘皮油已被分析确认的主要成分与柠檬烯的二元系统在0.5 kPa下的相平衡数据，并绘制相图。
1.2 结果与分析
1.2.1 对伞花烃-柠檬烯的气-液相平衡 选取对伞花烃为基准组分，计算了对伞花烃-柠檬烯在100.7、0.5 kPa下的气-液平衡数据，绘制气-液相平衡曲线，详见图1。可以看出，在100.7 kPa条件下，相平衡曲线与对角线基本重合，说明100.7 kPa下对伞花烃、柠檬烯很难通过蒸馏的方式分离；在0.5 kPa条件下，相平衡曲线偏离对角线，说明压力的降低有利于蒸馏过程中柠檬烯、对伞花烃的分离。图中拟合了童张法等测定的对伞花烃+柠檬烯2个二元体系在 100.7 kPa 条件下的气-液平衡数据[8]，拟合曲线与计算所得曲线基本重合，说明Aspen Plus软件模拟结果与试验结果的一致性及可靠性。
1.2.2 各组分与柠檬烯的气-液相平衡 图2显示了橘皮油中其他主要成分与柠檬烯分离程度的难易，可以看出，当压力为0.5 kPa时，比柠檬烯难挥发的组分与柠檬烯分离的难易程度依次为罗勒烯、异松油烯、芳樟醇、葵醛、橙花醇乙酸酯、辛醇、α-萜品醇、香茅醇；比柠檬烯易挥发的组分与柠檬烯分离的难易程度依次为β-月桂烯、对伞花烃、3-蒈烯、β-蒎烯、α-蒎烯、β-松油烯、3-侧柏烯。图中对伞花烃、罗勒烯、β-月桂烯离对角线很近，说明如果橘叶油中存在一定含量的
对伞花烃、罗勒烯、β-月桂烯，会增加蒸馏分离的难度。
2 减压精馏分离橘皮油中柠檬烯的模拟研究
2.1 研究对象及分离要求
本研究以常见的椪柑皮精油为研究对象，椪柑皮精油中含量较高的成分[2]为：D-柠檬烯（72.6%）、3-蒈烯 （12%）、2-侧柏烯（5.9%）、α-蒎烯（3.7%）、γ-松油烯（1.3%）、芳樟醇（2.1%）、异松油烯（2.4%）。分离要求：柠檬烯质量分数>97%，柠檬烯回收率>90%。
2.2 工艺流程设计及模拟条件
橘皮油连续精馏分离提纯柠檬烯主要是为了除去比柠檬烯易挥发的轻组分、比柠檬烯难挥发的重组分。由图3可知，本研究建立双塔串联精馏系统，通过RADFRAC 1精馏塔分离提纯，比柠檬烯易挥发的轻组分从塔顶得到，塔底得到比柠檬烯难挥发的重组分作为RADFRAC 2精馏塔的进料，分离提纯后RADFRAC 2塔塔顶得到含量为97%的柠檬烯组分，塔底得到比柠檬烯难挥发的重组分。
模拟条件：RADFRAC 1精馏塔采用全凝器，进料量为188.76 kg/h，进料温度为25 ℃，进料压力为10 kPa，塔顶操作压力为3 kPa；RADFRAC 2精馏塔采用全凝器，塔顶操作压力为1 kPa。
2.3 DSTWU模块简捷设计
DSTEU是多组分精馏的简捷设计模块，模拟计算结果可以为严格精馏计算提供合适的初值。采用UNIFAC-DMD物性方法进行计算，设定各塔回收率进行简捷设计估算。轻关键组分、重关键组分回收率设定见表1。
根据简捷设计得到计算结果如表2所示，包括各塔的最小回流比、最小理论塔板数、规定回流比所需实际理论塔板數、进料位置、塔顶馏出量及冷凝器、再沸器的热负荷。
2.4 RadFrac模块严格计算并优化
将简捷设计得到的塔顶出料与进料比值、回流比、理论板数作为严格设计的初值进行RadFrac模块严格计算，并进行灵敏度分析，调整回流比、理论板数、进料位置，使得在经济的条件下塔顶、塔底的组成符合设计要求。本研究中以RADFRAC 2精馏塔为例进行的灵敏度分析如下：由图4可知，塔顶柠檬烯的质量分数、总回收率都随着塔板数的增加而提高；塔板数大于25块时柠檬烯的质量分数和总回收率逐渐趋于稳定；塔板数大于21块时，柠檬烯的质量分数大于97%，因此理论塔板数取21块。
图5显示了回流比与再沸器热负荷、塔顶柠檬烯质量分数的关系，可见再沸器的热负荷随回流比的增大而直线上升，回流比大于1.4时柠檬烯的质量分数满足分离要求，因此回流比取1.4。
由图6可知，柠檬烯的总回收率随塔顶产品与进料流率的比值（D/F）增大而提高，柠檬烯的质量分数在D/F=0.95时存在最大值，因此取D/F为0.95。
2.5 计算模拟结果
通过简捷估算、严格法核算、灵敏度分析后，模拟结果如
表3所示，可见2个精馏塔的温度都低于100 ℃，在整个精馏过程中柠檬烯是稳定的。
3 结论
比较在0.5 kPa的低压下柠檬烯和不同品种橘皮油中存在的主要其他组分分离程度的难易。为减压蒸馏分离柠檬烯提供参考数据，根据柠檬烯和其他成分的气-液相平衡数据，可以推测，如果橘皮油中某些成分如对伞花烃、罗勒烯、β-月桂烯等含量较高时将增加分离难度，影响产品纯度的提高。此数据可以应用到成分相似的橙皮油、柠檬油中等。
应用化工流程模拟软件Aspen Plus对主要成分为柠檬烯和3-蒈烯的橘皮油减压连续精馏分离柠檬烯的工艺进行模拟优化，得到了相关物流流量、温度、压力、各组分质量分数的理论数据。橘皮油连续精馏分离提纯柠檬烯的模拟研究为柑橘类精油分离研究及工业设计提供了理论依据。
参考文献：
[1]徐 宁，谭兴和，王 锋，等. 减压蒸馏分离柑桔皮精油中柠檬烯的研究[J]. 食品工业科技，2014，35（2）：222-225.
[2]郭润霞，谭兴和，蔡 文，等. 柑橘皮精油成分分析[J]. 粮油食品科技，2011，19（6）：25-30.
[3]付复华，李忠海，单 杨，等. GC-MS法分析三种柑橘皮精油成分[J]. 食品与机械，2010，26（3）：30-34.
[4]薛成虎，王瑞斌. 2种方法提取柑橘皮中挥发性成分的气质联用分析[J]. 安徽农业科学，2013，41（3）：1283-1285.
[5]尚雪波，张菊华，单 杨，等. GC-MS法分析杂柑皮中挥发性精油成分[J]. 食品科学，2010，31（2）：175-178.
[6]李 翔，万 萍，张 崟. 柑橘皮精油提取分离及成分测定[J]. 成都大学学报：自然科学版，2011，30（3）：212-213.
[7]胡孔峰，胡肄珍，陈利军，等. 桔皮挥发油化学成分GC-MS分析[J]. 安徽农业科学，2007，35（13）：3787-3788.
分离过程模拟 篇4
石油是十分复杂的烃类及非烃类化合物的混合物。组成石油的化合物的相对分子量从几十到几千,相对沸点从常温到500 ℃ 以上,其分子结构也是多种多样的。因此,石油不能直接作为产品使用,必须经过各种加工过程,炼制成多种在质量上符合使用要求的石油。石油的炼制过程分为3个阶段,它们分别为原油蒸馏、二次加工、油品精制加工过程。本文结合石油炼制过程,介绍了ChemCAD软件中Tower Plus 单元操作的使用方法,研究了虚拟石油组分的分离过程[1,2]。
1 石油分离模拟流程的建立[3,4,5,6,7]
1.1 石油分离系统分析
原油的蒸馏是利用原油中各组分相对挥发度不同而实现各馏分的分离,产品有汽油、石脑油、煤油、柴油、重石脑油等。整个工艺系统包括燃烧器加热原料、原油精馏和再沸器换热等单元操作。
1.2 建立流程图
选择Fire-Heater及Tower Plus单元操作,建立模拟流程图,如图1所示。
1.3 添加组分
石油炼制过程,原料油组成复杂,很难用常规方法进行描述,需要用户自行定义原料油性质。当可用的原料油原始数据是以精馏曲线的形式存在时,ChemCAD 允许用户输入整个曲线,并把它变成一套虚拟组分,这套虚拟组分可覆盖整个馏程范围,从Thermo Physical 菜单中选择Pseudocomponent Curves命令。此命令允许输入精馏曲线。程序把精馏曲线中的物质按沸程分为若干个虚拟组分。当这些物质变成虚拟组分后,就可以当作纯组分来处理。进而,可以对其进行性质和汽液平衡常数的计算,如对纯组分一样。第一次应用此命令时,程序引导着一步一步地做。然后给出一个编辑菜单,以便用户单独选择每个命令。进行完上述步骤后,ChemCAD将显示虚拟组分和计算性质的报告。点击菜单命令“Plot”选择“Preudocomponent Curves”命令,在弹出的菜单中选择“TBP 1 atm”,可得到如图2 所示的实沸点蒸馏曲线。
1.4 选择工程单位
打开Format菜单,选择Engineering units选项,
会出现工程单位选择的对话框,本例中工程单位选国际单位(SI)。
1.5 选择热力学计算模型
ChemCAD提供了大量的最新的热平衡和相平衡的计算方法,包含39种K值计算方法,和13种焓计算方法。本例选取热力学模型为“Grayson-Streed”模型方程。如图3所示。
1.6 规定进料
定义完成精馏曲线后,进料组成已经确定,只需规定进料状态。规定进料温度为338.71 K,进料压强399.90 kPa,并命名进料流股为 crude oil,如图4所示。
1.7 规定单元操作
石油分离模拟精馏采用ChemCAD中的“Fire Heater”和“Tower Plus”模型,分别双击流程图中的加热器和精馏塔图标,打开规定框,据要求输入相应的参数。
1.7.1 Fire Heater
Fire Heater-燃烧加热器模块计算加热工艺物流到规定温度所需的燃料用量。本例中,规定 FH—1出口温度为477.59 K,FH—2出口温度为588.71 K,如图5所示。
1.7.2 Tower-Plus
对于T—1,侧线汽提塔、泵循环、塔侧换热器的数目分别为1;对于T—2侧线汽提塔、泵循环、塔侧换热器的数目分别为 2、1、1,如图6所示。对于T—1,塔板数为13,塔顶压力365.42 kPa,塔压降13.79 kPa,塔底产品流股流率为75.60 kmol/h,温度441.48 K,压强792.90 kPa,进料板数为11块;对于T—2,塔板数为16,塔顶压力158.58 kPa,塔压降13.79 kPa,塔底产品流股流率为40.82 kmol/h,温度441.48 K,压强792.90 kPa,进料板数为14块,如图7所示。
对于T—1,选中有冷凝器,规定冷凝器类型为2,过冷温度为310.93 K,冷凝器压强为330.95 kPa;对于T—2,选中有冷凝器,规定冷凝器类型为2,过冷温度为310.93 K,冷凝器压强为137.90 kPa,如图8所示。对于T—1,选择没有再沸器,输入塔底的温度估算值为505.37 K;对于T—2,输入塔底的温度估算值为588.72 K,如图9所示。
对于T—1,规定气提塔板数为2,液体由第8块板抽出,气体由第7块板返,规定抽出流股流率为22.68 kmol/h,流股温度441.48 K,压强792.90 kPa,塔底体积流率35.91 m3/h;对于T—2 的第一个汽提,规定气提塔板数为2,液体由第8块板抽出,气体由第7块板返回,规定抽出流股流率为15.12 kmol/h,流股温度441.48 K,压强792.90 kPa;塔底体积流率25.04 m3/h,如图10所示。对于T—1,规定液相自第8块板采出,返回第6块板,规定体积流率34.45 m3/h,热负荷为-5 275.30 MJ/h;对于T—2 泵循环,规定液相自第12块板采出,返回第10块板;规定体积流率为31.14 m3/h;热负荷为-7 712.49 MJ/h,如图11所示。
对于T—1,规定塔侧换热器的位置为第11块板;对于T—2,规定塔侧换热器的位置为第14块板,如图12所示。对于T—1,规定10块板体积流率为2.65 m3/h;对于T—2,规定13块板过气化率为5%,如图13所示。
1.8 运行模拟
打开菜单条上的Run菜单,选择Run all选项,或者单击流程图中的按纽,开始运行模拟。
2 查看结果
打开Report菜单,选择streams Compositions选项里面的all streams选项,可以查看各流股的组成,见表1。
由模拟结果可以看出精馏塔T—1和精馏塔T—2的个股产品流的组成。另外,通过Plot菜单,选择Tower Profiles选项,可以查看精馏塔的一些参数,各塔板的温度、压力、气液相组成等。如图14～图17所示。
3 结语
应用ChemCAD软件模拟了原油实沸点曲线和原油蒸馏分离过程。通过模拟,得到精馏塔的操作参数,在模拟的基础上进行系统的调节和控制,可减少实际操作的盲目性,降低了能耗和生产成本,缩短了生产周期。对工艺开发、工程设计及实际生产有一定的指导意义。
摘要：原油蒸馏过程设备投资大、能耗高,影响产品质量因素较多,对控制要求较高。研究利用流程模拟软件(ChemCAD),应用Tower Plus模块,采用Grayson-Streed热力学模型,绘制了原油实沸点曲线。建立了石油分离过程模拟流程。考察了设备参数和操作条件。模拟了精馏塔内的温度分布及塔内汽液相流量分布。精馏塔内在机理比较复杂,可控参数较多,但在模拟的基础上进行系统的调节和控制,减少了实际操作的盲目性,降低了生产成本,缩短了生产周期。模拟结果对工业过程的设计和改造具有一定的指导意义。
关键词：模拟优化,石油,分离,ChemCAD
参考文献
[1]孙虎,刘月.基础石油炼制方法研制.化学工程设备.2011;5:148—153
[2]卢春喜.环流技术在石油炼制领域中的研究与应用.化工学报,2010;9(61):2177—2185
[3] Cetin N S,Yurdusev M A,Ata R,et al.Assessment of optimum tipspeed ratio of wind turbine.Mathematical and computational applica-tions,2005;10(1):147—154
[4] Hui J,Bakhshai A.Adaptive algorithm for fast maximum power pointtracking in wind energy systems.Industrial electron-ics,2008,34Annual Conference of IEEE.Publication Year:2008,2119—2124
[5]肖丽红,张树增,王建红.原油常减压蒸馏工艺的动态仿真.计算机仿真,2011;5(28):325—327
[6]王静康.化工过程设计.北京:化学工业出版社,2006
分离过程模拟 篇5
本文以某型直升机粒子分离器为研究对象,在三维非正交曲线坐标系下计算湍流分叉流动和砂粒运动,结合边界条件特殊处理,采用分块计算来考虑叶片对流场的影响,首次对有叶片粒子分离器三维两相流动进行了数值模拟.计算结果与实验值吻合较好.
作 者：侯凌云 严传俊 Hou Lingyun Yan Chuanjun 作者单位：侯凌云,Hou Lingyun(清华大学,工程力学系燃烧组,北京,100084)
严传俊,Yan Chuanjun(西北工业大学七系,陕西,西安,710072)
酒精蒸馏中杂质分离的模拟分析 篇6
1 工艺流程简介
1.1 工艺流程
利用我司实际设计的某特优级六塔蒸馏工艺, 对工艺中各塔设计的除杂原理进行分析。六塔系统一般由粗塔、粗辅塔、水洗塔、精塔、甲醇塔和回收塔组成。粗塔、粗辅塔具有一定的排醛能力、水洗塔是主要的醛脂杂质的分离设备, 精塔是最主要的酒精提浓设备, 兼副杂醇油的采出, 甲醇塔是分离乙醇与甲醇的核心设备, 回收塔即是各杂质酒进行重精馏提纯回收杂酒酒精的设备。六塔蒸馏工艺主体流程如图1所示。
1.2 模拟设定
备注:本文内提及的所有塔板序号数, 以塔顶第一块板为1, 向塔底方向递增。
对于酒精蒸馏系统, 主要成分是乙醇和水。占主导地位的水-醇体系具有高度的非理想性, 而杂质对主导体系的影响微乎其微[2], 对于液相非理想性的校正, 一般采用活度系数法。在Aspen Plus建模中, 可以调用NRTL-RK物性模型, 该模型以NRTL方法计算液相活度, 以Redlich-Kwong-Aspen方法计算气相逸度[3]。文献[4]已对各杂质与水醇体系的三元模型参数做了详尽的分析。本文计算涉及的工艺参数参照本人单位某投产的特优级酒精装置的数据加以整定, 见表1。
2 头级杂质的分离
2.1 头级杂质的特性
头级杂质主要有乙醛、乙酸乙酯、甲酸乙酯和乙酸甲酯等, 其中醛类是具有代表性的头级杂质, 其中以乙醛为特征性组分。头级杂质沸点给酒精低, 挥发性给酒精强, 典型的头级杂质的挥发系数始终大于1, 在塔内运动方向是往上, 其浓度在塔顶达到顶峰。
2.2 乙醛分离模拟
对于粗塔系统, 除了初步提浓酒精外, 另一个重要作用即是排醛。粗塔系统一般会设置一个6~10层的排醛段, 通过全回流方式迅速增浓酒度, 而乙醛的塔顶增浓效果更为明显, 醪液带进的醛类物质大部分在此汇聚, 通过末级冷凝器气相或回流液相引出, 而脱醛酒通过脱醛段下端第一块板液相采出。而在部分工艺中, 会粗塔和精塔间单独设置一个排醛塔[5], 其功能是完全相同的。
采用Aspen Plush模拟可以直观反映乙醛在脱醛段各层塔板的浓聚的状况。对于粗塔工况, 以表2进料与排杂为基准, 可以得到乙醛在脱醛段的分布状况, 见表3。
分析表2、表3可以明显观察到脱醛酒比较进料醪液, 乙醛含量由3 500 mg/kg下降到286 mg/kg, 而顶部冷凝器未凝汽相, 乙醛含量达到34%以上, 液相含量亦达到11%左右。
塔顶冷凝器的冷凝温度为44℃, 此为塔操作压力下, 酒、醛、水混合汽在此浓度下的露点温度。过高的冷凝温度会导致跑酒损失率的提高, 过低的温度则导致醛汽回凝系统。
不同原料和发酵方法, 醪液的醛含量是差异很大, 基于以上模拟分析, 考查乙醛沿各塔板的的变化规律, 对工程设计人员关于脱醛酒质量指标、采酒板层的设置和末级冷凝器尾气温度控制有指导作用。
3 杂醇油的分离
3.1 杂醇油的特性
杂醇油是以异戊醇为代表的许多高级醇的混合物[6], 如异丁醇、正丙醇等。杂醇油是酒精蒸馏的主要副产物, 其分离水平对成品酒精的质量有重大影响。当酒精浓度为55% (体积) 时, 异戊醇的挥发系数接近1, 此时异戊醇在气相和液相中的浓度相当, 塔上部的异戊醇下行, 塔下部的上行, 因此在塔板某段形成汇聚。但粗酒精中清除杂醇油不能只看挥发系数, 还应关注其精馏系数。只有在酒精浓度低于40% (体积) 时, 才能是异戊醇更好地从酒精水溶液中挥发出去[7]。
3.2 杂醇油的分离模拟
酒精蒸馏系统中, 是以精塔和回收塔为重要的杂醇油采出点, 两塔的杂醇油分离理论依据是一致的。而杂醇油分离器属于各塔采出的杂醇油酒进行液液萃取分离的设备, 已有文献[8]进行了专门的分析。
以精塔系统为例, 模拟分析杂醇油典型代表异戊醇及正丙醇在塔板液相的分布情况。工艺物流和塔板上组分浓度分布状况见表4、图2。
备注:杂酒采出塔板层为56层。
由图2可见, 精塔的54~58层, 杂醇油的两种代表性物质出现聚浓区间, 其中在56层达到峰值, 此时塔板酒度和温度见表5。
通过模拟分析, 在56层杂醇油浓度峰值处, 精塔塔板酒度约为34.8% (质量) , 折合体积酒度为41.5%。模拟与理论分析是保持高度吻合的。在实际生产中, 由于塔板上蒸汽压力很难达到梯度均衡, 塔内酒精负荷也有变化, 采油层亦会随之波动, 一般设计上采用围绕峰值板层上下多开若干个采油口方式处理。而通过模拟分析获取的最优采油层数和油区塔板温度, 对工程设计和现场生产都具有实际的参考意义。
4 甲醇的分离
4.1 甲醇的特性
在不同的酒精浓度下, 甲醇的挥发系数都大于1。但甲醇在酒精浓度低于40% (体积) 时精馏系数小于1, 并随酒精浓度的增加而不断增大, 因此在高浓酒度下进行精馏操作, 是分离甲醇和乙醇的适合方法[9]。
4.2 甲醇的分离模拟
甲醇塔是基于甲醇的精馏系数随酒精浓度的增高而变大特性, 实现将甲醇杂质汇聚于甲醇塔塔顶。在国家标准《食用酒精》 (GB10343-2002) 中对普级酒精甲醇含量不得大于150 mg/L (折合对应酒度下的质量比, 约为185 mg/kg, 下同) , 优级酒精不得大于35 mg/L (43 mg/kg) , 而特优级酒精则要求不得大于2 mg/L (2.5 mg/kg) [10]。
由于原料的差异, 精塔采出的精馏酒甲醇含量差异很大。以玉米为原料的甲醇塔进料酒, 甲醇含量一般在300 mg/kg以下, 而以干木薯为原料的进料酒, 一般不超过500 mg/kg, 当以鲜木薯为原料或原料存在变质情况, 进料甲醇含量有可能达到1 000 mg/kg以上。为达到国家标准中对各级酒精中甲醇的含量要求, 甲醇塔的回流比选择, 无疑是甲醇塔设计中最为关键的参数。
现以工况下甲醇塔操作条件, 进料量1% (质量) 的采杂酒量为基础, 通过模拟, 分析三种进料条件 (进料条件A:进料甲醇含量300 mg/kg;进料条件B:进料甲醇含量500 mg/kg;进料条件C:进料甲醇含量1 000 mg/kg) , 在不同的操作回流比下对产品残留甲醇浓度的影响, 见表6。
分析表6可知, 当进料甲醇含量不超过300 ppm时, 设计上选取回流比2.8, 产品即可以达到普级酒精对甲醇含量的要求;当设计选取3.6时, 产品已经能达到特优级水平。当进料甲醇含量达到1 000 mg/kg时, 为达到普级酒精要求, 设计回流比需满足3.2以上, 而特优级酒精则需回流比加大到4.0以上。
在甲醇塔工况条件下, 对于每吨原料酒, 回流比每增大0.1, 塔底所需的热负荷需求量增大约为20 000 kcal。因此, 根据不同原料状况和产品质量的要求, 模拟分析需求的回流比, 对合理藕配差压蒸馏系统和节能减排有重大意义。
5 结论
本文以流程模拟软件Aspen Plus为基础, 建立酒精蒸馏各塔的稳态模型, 对蒸馏过程中头级杂质、杂醇油和甲醇的分离情况进行模拟分析, 模拟的结果都和原理和实际生产保持一致, 模拟提供的各项工艺参数都为工程设计和现场生产提供参考和指导作用。
对于头级杂质, 粗塔脱醛段的设计和工艺控制参数显得尤为重要;对于杂醇油, 把握好塔板酒度分布和酒温, 是成功采油的关键;对于甲醇, 通过模拟分析获取最优回流比数据, 在系统节能方面有重大参考指导意义。
摘要：以特优级酒精六塔蒸馏工艺流程为基础, 参考现投产项目的实际工况参数, 利用流程模拟软件AspenPlus对各塔工况下的稳态模拟, 分析各杂质的分离情况与设计关键控制点, 模拟结果可为工艺设计与现场生产提供理论数据支持, 具有参考与指导作用。乙醛、杂醇油和甲醇等是工艺系统中最为主要和代表性的杂质, 其分离效果的好坏是高纯酒精品质的关键。
关键词：酒精蒸馏,杂质分离,ASPEN模拟分析
参考文献
[1]章克昌.酒精工业手册[M].北京:轻工业出版社, 1989:212.
[2]郭天民.多元汽液平衡和精馏[M].北京:石油工业出版社, 2002:102-106.
[3]Aspentechnology.Aspen Physical Property Methods and Models 11.1[M].Massachusetts:AspenTech, 2001.
[4]宋建国, 王保璟.基于理论计算谈酒精蒸馏中部分杂质的排除[D].大连:大连轻工业学院食品工程系, 1996.
[5]姚汝华.酒精发酵工艺学[M].广州:华南理工大学出版社, 1999:213.
[6]章克昌.酒精与蒸馏酒工艺学[M].北京:轻工业出版社, 1995:349.
[7]贾树彪, 李盛贤, 吴国峰.新编酒精工艺学[M].北京:化工工业出版社, 2004:127-128, 131.
[8]梁剑斌, 王红林, 严宗诚, 等.酒精蒸馏中杂醇油的分离过程模拟与优化[D].广州:华南理工大学化工学院, 2010.
[9]贾树彪, 李盛贤, 吴国峰.新编酒精工艺学[J].北京:化工工业出版社, 2004:131.
醋酸酐分离塔改造的模拟研究 篇7
醋酐是国家鼓励发展的基本有机化工原料。醋酐学名乙酸酐, 分子式为C4H6O3, 是一种无色透明液体, 有刺鼻辛辣的嗅味, 与乙醚可以任意比溶解在乙醇和水中放出分解热, 水解成醋酸, 溶于醇、醚及丙酮等有机溶剂[1]。醋酐作为重要的精细化工原料, 主要用作醋酸纤维素, 其次用于医药、染料、香料和有机合成中的乙酰化剂[2]。据业内人士分析, 醋酐还有很多未开发或刚开发出来的应用领域, 如洗涤剂、炸药 (火箭推进剂) 及液晶显示器等。而且, 在液晶显示器方面用量很大, 是新开发出来的应用领域[3]。
本研究以吉林石化分公司电石厂醋酐车间醋酐生产装置T411醋酸酐分离塔为研究对象。T411共沸精馏塔目前为筛板塔, 筛板材料为Mo2Ti。在生产过程中由于甲酸的存在, 对精馏塔的提馏段腐蚀严重, 影响系统操作的稳定性和生产运行安全, 经常造成停车, 因此, 每年需要彻底更换提馏段的塔板并经常进行检修。塔板都是以焊接方式固定在塔内, 塔的直径为1.2m, 这给旧塔盘的清理和新塔盘的安装带来很大不便, 致使检修时间增长, 已完全不能适应装置正常运行的要求, 同时也影响企业的经济效益, 并给醋酐和其他车间的生产运行带来不稳定因素。
为了提高装置运行效率, 减少停车检修的时间, 降低检修劳动强度, 减少检修费用, 提高装置运行的稳定性和安全性, 为企业创造更大的经济效益, 有必要对醋酐T411醋酸酐分离塔进行技术改造, 以保证生产能够安全、连续、稳定的进行。笔者参考文献[4,5,6,7], 对吉林石化分公司电石厂醋酐车间醋酐生产装置T411醋酸酐分离塔进行改造模拟研究。
1 工艺流程简述
T411醋酸酐分离塔利用乙酸乙酯和水共沸的特点, 通过共沸精馏将酯酸分离为醋酸和共沸物, 共沸物为酯和水。工艺流程为从萃取塔上部连续送来的酯酸进入醋酸酐分离塔 (T411) 中部31#塔板 (或33#、35#塔板, 根据条件而定) , 经传热、传质交换后, 醋酸乙酯和水形成低沸点共沸物, 其沸点为70.4℃, 由塔 (T411) 顶蒸出, 醋酸酐分离塔 (T411) 塔顶温度TRC4003控制在69～74℃, 进入共沸塔塔头冷凝系统, 冷凝液进入分层器 (V417) 分离酯和水。流程简图如图1所示。现有的T411醋酸酐分离塔为筛板塔, 将提馏段筛板改成规整填料, 精馏段仍为筛板, 更改后的流程不变。
2 流程模拟
本研究完全模拟现场的T411醋酸酐分离塔进行。用工程软件PROII进行模拟, 模拟条件为:
a. 第31#板液相进料, 组成为含醋酸乙酯84%、醋酸8.0%和水8.0%, 温度为常温25℃, 压力为0.005MPa。
b. 塔顶气相出料, 组成为含醋酸乙酯91.0%、醋酸0.1%和水8.9%, 温度为73℃, 压力为0.0MPa。
c. 塔顶温度控制指标为73℃左右;塔底温度控制指标为110～140℃, 长期控制在120℃左右;塔底压力控制指标为不大于65kPa, 长期控制在0.05MPa左右。
d. 塔的板数为54块筛板;等板高度为1#～34#塔板高400mm, 35#～54#塔板高450mm;塔高为30.584m (包含塔头冷却器2.616m) 。
e. 精馏塔精馏段维持原塔状态不变, 提馏段采用Mellapak Y500型规整填料。
3 模拟计算结果
根据现场精馏塔的实际情况进行模拟, 精馏段仍然采用原板式塔结构, 提馏段采用规整填料结构的混合塔, 对塔内流体力学和塔内液相浓度组成分布进行了计算, 计算结果见表1 (由于塔板数过多, 只列出部分数据) 。
表中的计算数据表明, 计算结果与实际操作情况吻合, 可以按照模拟情况对实际装置进行改造。过程模拟为设计改造成功打下了坚实基础。
由模拟结果可知, 提馏段部分特别是靠近塔底端部分, 由于醋酸浓度迅速增加, 并且甲酸在此部分聚集浓缩, 使得腐蚀严重, 因此内件的选型和选材是关键因素之一。
4 结束语
本研究对现有T411醋酸酐分离塔进行了分析, 采用PRO/II软件对萃取精馏过程进行了模拟, 模拟结果表明:醋酸酐分离塔可以改造成精馏段仍然采用原板式塔结构、提馏段采用规整填料Mellapak Y500结构的混合塔, 同时需注意填料材质的选择和塔内件的设计。
参考文献
[1]王延吉, 赵新强.化工产品手册 (有机化工原料) [M].北京:化学工业出版社, 2004.
[2]刘艳杰, 丁国荣, 赵庆国.国内外醋酐的生产技术及应用状况[J].天津化工, 2005, 19 (2) :15～17.
[3]胡志香, 赵新疆.国内外醋酐的生产技术与市场分析预测[J].化学工业, 2007, 25 (11) :28～35.
[4]胡志刚, 戴传波, 包力, 等.醋酸生产精馏装置改造的研究[J].化工科技, 2001, 9 (5) :34～36.
[5]李群生, 柳卫忠, 常秋连, 等.BH高效填料的原理及其在电子工业甲醇精馏中的应用[J].化工进展, 2009, 28 (z2) :285～287.
[6]高如龙, 梁小元, 祁百法, 等.醋酸正丁酯在共沸精馏稀醋酸中的应用[J].维纶通信, 2000, 20 (4) :16～19.
螺旋分离器单相流动的数值模拟 篇8
螺旋流动是自然界中广泛存在的一种特殊的流体紊流运动现象,而螺旋流技术在人们的日常生活领域中也是常可见到的,如螺旋分离器、浴池涡、旋流节能煤气灶、柴油机上的螺旋流增压排气系统、螺旋流节能煤气灶、旋流吸尘器等[1]。因此,对螺旋流的研究也一直是流体力学研究的重点之一。常规螺旋流产生方法一般有三种:安装导流片、切向进流以及旋转管道。对于螺旋流的研究最早是建立在旋流分离器基础上的,旋流分离器早在1891年就获得了专利,一个多世纪以来,学者们先后通过“黑箱”法、流场测定法及数值模拟等方法对旋流分离器进行了大量的研究[2,3,4,5,6,7],并先后有专著对旋流分离器的流场理论进行了论述。近年来,螺旋气液分离器因其制造成本低、质量轻、准确率高、自动化程度高、稳定性能好等优点,在国内外开始被广泛应用于石油石化行业中。但是由于研究方法的局限性以及螺旋分离器内部流动的复杂性,对于螺旋结构内部螺旋流的研究则一直显少有报道,本文中所涉及的螺旋流即是通过安装固定螺旋结构形成旋转流道而产生的利用PHOENICS数值模拟对紊流螺旋流流场及压力场进行了定量分析,旨在为螺旋流的进一步研究与应用提供参考。
2 PHOENICS
PHOENICS是世界上第一个投放市场的计算流体动力学与传热学商用软件,它是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series的缩写,该软件可以对一维、二维或三维,定常或非定常,可压缩或不可压缩流动进行数值模拟,对于特定方向的流动现象有相应的“抛物型”计算模块;并且还有一些附件,如用于电子元件冷却计算的HOTBOX,用于导热和通风的FLAIR,及用于化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)模拟的VCD模块。PHOENICS可以供没有特定的数值分析和计算程序知识的工程人员使用,是目前较为广泛应用的计算流体力学软件之一。
3 模拟过程
3.1 计算模型的建立
(1)选取坐标系:选择在笛卡尔坐标系下建立计算模型。由于螺旋结构的复杂性,难以实现在PHOENICS里直接建模,因此本文采用在CAD中构建螺旋结构模型(需要STL格式的CAD模型),再调入到PHOENICS中,其内部螺旋结构如图1所示:
(2)模拟计算区域:∆X=0.052m,∆Y=0.052m,∆Z=0.24m,同时,设定螺旋外部套管壁厚为0.001m。
3.2 边界条件
(1)流动进口边界:设定为速度入口,入口速度在入口截面上均匀分布且垂直于所在的面;
(2)流动出口边界:设定为自由出口,即不设定任何边界条件,同时,认为在出口处流动状态为充分发展;
(3)壁面边界:流动边界采用无滑移的固壁条件,并使用标准壁面函数法确定固壁附近处流动。
3.3 物理模型
利用C F D软件建立的物理模型还应该包括固体壁面和流体空间的信息[8]。同时,针对流体性质做了如下假设:
(1)流体运动可看作是连续、均匀的不可压缩流体;
(2)当流体处于静止时,总压力为静水压力;
(3)假设进口为无穷远处均匀来流,即入口速度端面分布均匀;
(4)假设控制体内流体的速度与时间无关,即是稳态流动。
在以上假设成立的前提下,建立物理模型[9,10]:
(1)紊流模型的选取:选取KEMODEL(两方程模型);
(2)计算工质物性的确定:本文相继以浓度分别为200mg/L,400mg/L,600mg/L的聚丙烯酰胺水溶液及水为研究对象。在PHOENICS中,自行添加该流体的物理性质,并将其设置为幂律流体(P O W E R L A W)。在PHOENICS里关于幂律流体的稠度系数k定义为A的值而流性指数n定义为B的值;
(3)迭代次数的选取:Iteration=10000。
3.4 计算网格
以螺旋分离器内部整体的流域为计算区域,采用结构网格(笛卡尔网格)进行划分。计算网格大约在20万。结构化网格的优点是较于非均匀网格更有利于收敛,但其缺点在于对于复杂粗糙的结构表面,要求划分的网格数量比较多。针对结构网格的缺点,PHOENICS软件自带了PARSOL(Partial solids treatment)处理技术。同时针对变化剧烈的区域,进行了区域局部加密,而不是在整体的网格结构上加密,这大大提高了效率。
4 模拟结果
4.1 流场分析
在螺旋流动中,存在3个速度分量,即切向速度、径向速度和轴向速度。由速度曲线图4、5,我们可以看出,其切向速度占速度优势。通过对比速度曲线,可以看出径向速度值小于轴向速度和切向速度,在径向的紊流核心区域小于在切线方向的紊流核心区域,因此,在通常的计算中可以忽略考虑径向速度的影响。
从图6、7可以看出,在分离器内部,在分离器内部螺旋段处的的流动是一种强势旋流。分离器内部,在螺旋结构的作用在,流体沿分离器内壁呈螺旋形式流动,产生的螺旋流其轴向速度从入口到出口有明显的变弱趋势,且在轴向截面处,进入螺旋叶片的速度大于离开螺旋叶片的速度。图6、7均显示在螺旋分离器内部螺旋流动有明显的减弱趋势。因此,若要保持一定的螺旋流强度应考虑增加合适的起旋装置。
4.2 压力场分析
螺旋分离器是以压能损失为工作代价的,因此,压力场的研究对螺旋分离器来说有重要的意义。以流量Q=2.4m3/h,浓度为200mg/L的聚合物溶液为计算原型。得到如下压力云图:由图8左侧压力云图所显示的颜色,我们可以直观的看出压力的变化趋势。在压力云图中,红色代表压力最大值,蓝色则表示压力最小值,其它颜色都表示压力的中间值。可以看出,对于分离器内部,流体在未进入螺旋段之前,压力没有发生变化,当进入螺旋段后,在每一层螺纹叶片流道内流动压力呈阶梯状下降。通过云图直观的发现,不同旋转流道内部的压力值。由图8右侧的压降曲线可以看出,在不同位置的螺旋叶片间的旋转流道内这种变化并不均匀,其阶梯的分界面即是螺旋叶片,靠近螺旋入口端的压力变化小于靠近螺旋出口端的压力变化,这一点也正反应了螺旋分离器内部螺旋流形成至衰弱的趋势。
在不同工况条件下,螺旋分离器的压降值是不同的。文中所涉及的工况分别为以下条件:case1-case3为工作介质为水时,流量分别为1.05m3/h、1.97m3/h、2.36m3/h;case4-case6工作介质为200mg/L聚合物溶液时,流量分别为1.15m3/h、1.53m3/h、2.4m3/h;case7-case9工作介质为400mg/L聚合物溶液时,流量分别为0.97m3/h、1.5m3/h、1.8m3/h;case10-case12工作介质为6 0 0 m g/L聚合物溶液时,流量分别为为1.2m3/h、1.64m3/h、2.71m3/h。各个工况下的压降值如表1所示。由表1可以看出,随着流量、聚合物浓度的增加,压力下降的速度也在增大;在螺旋分离器内部非牛顿流体的压力变化大于牛顿流体的压力变化,且非牛顿性越强,压力变化越大。在各个工况下,螺旋分离器的能耗普遍较低,属于低能耗设备,具有很好的推广性。
5 结束语
(1)在螺旋流动中存在3个速度分量,即径向速度,切向速度和轴向速度。其切向速度占速度优势,在数值上要远大于轴向速度、径向速度;径向速度很小,一般可以忽略其影响;
(2)在分离器内部的螺旋流,其速度从螺旋入口到螺旋出口有明显的变弱趋势,且在轴向截面处,进入螺旋叶片的速度大于离开螺旋叶片的速度,即分离器内部的螺旋流动有明显的减弱趋势;
(3)随着流量、聚合物浓度的增加,压力下降的速度也在增大。牛顿流体(水)的压力变化值小于非牛顿流体(聚合物溶液)的压力变化值,且非牛顿性越强,压能损失越大;
(4)在分离器内部压力呈阶梯状下降,且这种压力变化并不均匀,靠近分离器螺旋入口端的压力变化小于靠近分离器螺旋出口端的压力变化;
参考文献
[1]赵运兵.螺旋流在工业上的应用研究概况[J].山西水利,2007,(1):74-75.
[2]韩洪升,姚红英等.基于PHOENICS与PIV的幂律流体环空流数值模拟[J].大庆石油学院学报,2008,6(32),46-49.
[3]李晓钟,陈文梅,褚良银.水力旋流器能耗定义及其组成分析[J].过滤与分离,2000,10(2):1-3.
[4]褚良银,吴持恭等.水力旋流器湍流结构控制与能耗降减[J].化工学报,1998,49(6):760-763.
[5]URSEL MAN R,CUMMINS J,WORRALL R N.Pressured Mud Cap Drilling.Efficient Drilling of HighPressure Fractured Reservoirs1SPE/I ADC 52828,19991.
[6]徐继润,罗茜.水力旋流器流场理论[M].北京:科学出版社,1998.
[7]褚良银,陈文梅等.水力旋流器[M].北京:化学工业出版社,1998.
[8]陶文铨.数值传热学12版[M].西安:西安交通大学出版社,2002:353-3621
[9]张艳娟.幂律流体偏心环空螺旋流紊流的PIV实验研究[D].大庆:大庆石油学院,2007.
突扩管分离流场的数值模拟 篇9
突扩回流是利用通道几何断面的突然扩张产生回流[1]。由于管道面积的突然扩张, 在面积突然变化的截面后存在着回流、分离、重附和剪切等流动现象, 会引起压力降低和能量损失[2,3]。这样的流动可以发生在化学、石油工业中的管流体系, 还可以应用于空气流通管、突扩燃烧室和液体射流装置中。它在能源、动力、化工等工业领域有着广泛的应用。因此对突扩管道内的流动进行数值模拟研究在工程实践和理论研究中都有着十分重要的意义。
随着计算流体力学 (CFD) 的可靠性不断提高, CFD软件在研究流体机械的流场问题领域中得到了广泛的应用[4,5]。文章中利用FLUENT软件, 对突扩管分离流场进行模拟计算, 分析了不同雷诺数和不同突扩比情况下的突扩流场的流动情况。
1数学模型
由于在雷诺数比较低的情况下, 突扩管道内的流动表现出强烈的二维特性, 流动可看成是轴对称的[7,8]。故为分析方便和减少工作量, 可将流体在突然扩大的管道内流动简化为平面流动。具有突然扩张的二维管道如图1所示。D1=100mm, D2=200mm。为了保证入口和出口流动均为充分发展, 速度剖面为抛物线, 取L1=20D1, L2=20D2。并定义突扩比E=D2/D1。
1.1控制方程
粘性不可压缩流体在管道内作瞬态流动的支配方程为连续性方程:
Navier-Stokes方程:
式 (2) 中u, v分别为流动速度在x, y坐标轴上的分量, ρ为流体的密度。
1.2边界条件
实际流动中, 到达突扩截面处流动达到充分发展, 入口速度分布为抛物形, 且出口截面远离回流区。由于选取的计算区域足够长, 在入口处采用速度入口边界条件进行计算, 入口速度为均匀分布;出口为压力出口;轴线处考虑流动的轴对称特征;边壁为固壁无滑移条件;选用水为工作介质。
2数值模拟
突扩管的几何模型是在GAMBIT中直接建立完成的。由于流动是对称的, 本文只取图1中对称轴的上半部分为计算区域。考虑模型比较规则简单, 直接采用结构化网格[9], 见图2。
将在GAMBIT中建立的节点与网格划分信息输入到FLUENT进行求解, 选择分离解算器, 采用隐式算法, 操作压力选用标准大气压, P=101 325Pa, 压力速度耦合采取SIMPLE方法。
3模拟结果及分析
取突扩比E=2, 应用Fluent软件对Re=25, 50, 100, 150, 200的突扩管分离流场分别进行了模拟。模拟结果经Tecplot处理后得到的流线图如图3所示。
从图3中可以清晰看出在突扩管径处出现分离流动, 产生了回流区域。整个流动可以看作是由主流以及主流和壁面间的涡流即回流组成, 在粘性力作用下主流携带着涡向前运动而受壁面粘滞力的作用则使得涡停滞, 当主流和涡流两部分达到一种动态的平衡状态时, 则在突扩截面后形成一个稳定的旋涡区。流动图谱具有相似性, 并且回流区域随着雷诺数的增大回流现象越加明显, 回流长度也在不断的增加。这点与理论分析结果相吻合。
图4是以h= (D2-D1) /2的倍数表示再附距离Lr的变化情况。
从图4中可以看出, 当突扩比一定时, 相对回流区长度随雷诺数的增大呈线性增长关系。与Macagno、Hung的实验结果及Bedakes、Knight的计算结果一致[10]。说明了利用FLUENT软件对突扩管分离流场进行数值模拟具有较高的准确性。
雷诺数Re=50不变的情况下, 突扩比E分别为2, 3, 4时的流场如图5所示。
从图5中可以明显看出, 当雷诺数不变, 随着突扩比的增大, 回流区也在扩大。突扩比增大时, 涡旋尺度增大。由于涡旋的存在, 必然要消耗主流的能量, 涡旋尺度及强度越大, 所消耗的主流的能量也就越多, 通过突扩的能量损失也就越大。所以应用数值模拟对解决突扩问题, 正确设计突扩管道, 减少流动的能量损失, 具有一定的参考价值。
4结论
(1) 利用FLUENT软件对流场进行数值计算有较高的准确性, 完全可以利用FLUENT软件对突扩以及复杂流场进行数值计算。
(2) 突扩流场的主要特征是在管径突扩处产生回流现象。
(3) 回流区长度随着雷诺数和突扩比的增加而增加。在一定的范围内, 回流区长度与雷诺数呈线性变化。
参考文献
[1]赵妍.应用FLUENT对管路细部流场的数值模拟.大连:大连理工大学, 2004
[2]尹则高, 张土乔, 黄亚东, 等.连续突扩管流的数值模拟.流体机械, 2005;33 (8) :24—27
[3]王小华, 鞠硕华, 朱文芳.突扩流的数值模拟.低温建筑技术, 2003;1 (91) :59—60
[4]姚征, 陈康民.CFD通用软件综述.上海理工大学学报, 2002;24 (4) :137—143
[5]张永学, 李振林.流体机械内部流动数值模拟方法综述.流体机械, 2006;34 (7) :34—38
[6]林高平, 龚晓波.圆管突扩层流流动计算.西安交通大学学报, 2000;34 (6) :108—110
[7]高殿荣, 张齐生.平面突扩管瞬态流动的有限元模拟.燕山大学学报, 1999; (23) 4:331—334
[8]Wang Liaosha, Jiang Junfeng.Transition to asymmetry of non-Newto-nian fluids in an abrupt expansion.Computers and Applied Chemstry, 2008; (25) 12:1473—1476
[9]朱晓星, 孙志林.基于非均匀网格二维突扩流Lattice-Boltzmann方法模拟.浙江大学学报 (理学版) , 2004; (31) , 4:460—464
餐厨垃圾油水分离过程探讨 篇10
关键词：餐厨垃圾,处理,油水分离
1 餐厨垃圾的定义
餐厨垃圾, 也叫泔脚, 是居民在生活消费过程中形成的生活废物, 很容易出现腐烂变质, 并散发恶臭, 带有大量细菌和病毒。餐厨垃圾成分十分复杂主要包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油及肉骨等, 化学组成主要有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等。
餐厨垃圾具有显著的危害和资源的二重性, 其特点可归纳为以下几点。
(1) 含水率高, 可达80%~95%;
(2) 盐分含量高, 部分地区含辣椒、醋酸高;
(3) 有机物含量高, 如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等;
(4) 富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素;
(5) 存在有病原菌、病原微生物;
(6) 易腐烂、变质、发臭。
2 餐厨垃圾的类型
根据来源不同, 餐厨垃圾主要分为餐饮垃圾和居民日常厨余垃圾。前者产生自饭店、食堂等餐饮业的残羹剩饭, 具有产生量大、来源多、分布广的特点, 后者主要指居民日常烹调中废弃的下脚料, 数量相对较少。
3 餐厨垃圾的危害
(1) 污染环境、影响市容。因餐厨垃圾含有较高的有机质和水分, 容易受到微生物的作用, 而发生腐烂变质现象;且废弃放置时间越久, 腐败变质现象就越发严重。特别是到了夏季, 温度较高, 腐烂变质也越快, 这时候产生的大量渗滤水和腐败后的恶臭气体对环境卫生造成恶劣影响[1]。
(2) 危害人体健康。餐厨垃圾中的肉类蛋白以及动物性的脂肪类物质, 主要来自于提供肉类食品的那些家畜家禽, 家畜如直接食用未经有效处理的餐厨垃圾后, 容易发生“同类相食”的同源性污染, 造成人畜之间疫病的相互传染, 危害人体健康, 并可能促进某些致命疾病的传播。如历史上大规模爆发的传染病:1986年英国出现的疯牛病、口蹄疫等[2]。再比如说, 目前在许多地方传播的禽流感等的起因, 可能是由于病牛、病羊或病猪的尸体被制成了动物饲料, 从而引起疾病的大规模传染[3]。
(3) 传播疾病。餐厨垃圾的露天存放会招致蝇、蟑、鼠虫等大量繁殖, 其是疾病流传的主要媒介[4]。
(4) 餐厨垃圾中堆放时产生的下渗液进入到污水处理系统, 会造成有机物含量的增加, 从而加重污水处理厂的负担, 增加运行成本。同时排放到河流引起水质恶化, 出现一些生物过度生长从而出现严重的富营养化现象, 甚至由于水生植物的大量繁殖导致水面大量被覆盖后水体严重缺氧, 而养殖鱼类大量死亡。
综上所述, 餐厨垃圾对环境和人群的危害已十分严重, 是城市环境一个重要污染源, 对人们的正常生活与身体健康构成了威胁, 这一问题已经引起了政府的高度重视和人们的广泛关注。根据农业部有关专家测算, 餐厨垃圾内含大量的营养物质, 主要成分是油脂和蛋白质, 为可重复利用的宝贵资源。
4 餐厨垃圾的处理
餐厨垃圾处理方法大致有以下几种:物理法、化学法、生物法等;具体的处理技术有填埋、焚烧、堆肥、发酵等方式, 总之其资源化再利用呈现多样化的趋势。其中发酵又含有有氧发酵和厌氧发酵两大类, 其处理结果也不尽相同。
5 餐厨垃圾中的油水分离问题
在进行垃圾处理过程中油水分离是一个重要环节, 因为各类油类混杂在大环境垃圾中会造成更加难以分解处理等问题。而这个分离出来的油, 即是我们通常谈及的地沟油, 其危害更是令人瞠目结舌。
5.1 油水分离的作用
目前的地沟油分离技术都是使用油水分离器, 油水分离器的作用原理是将浮于水面的油与水介质分开处理。但是餐厨垃圾中的油往往不仅是浮在水面的油, 还有部分油已经溶解于水之中, 另外如动物油脂 (比如吃剩的肥猪肉、结块的牛羊油等) 既不溶于水也不飘浮于水面, 油水分离器的作用根本达不到, 因此这一问题亟待解决。
5.2 油水分离器的工作原理
油水分离器, 用于分离压缩空气中凝聚的水分和油分等杂质, 使压缩空气得到初步净化。
油水分离器工作原理是:当压缩空气进入油水分离器后产生流向和速度的急剧变化, 再依靠惯性作用, 将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来[4]。
图1为常见的撞击式和环形回转式油水分离器。
压缩空气自入口进入分离器壳体后, 气流先受到隔板阻挡撞击折回向下, 继而又回升向上, 产生环形回转。这样使水滴和油滴在离心力和惯性力作用下, 从空气中分离析出并沉降在壳体底部, 定期打开底部阀门即可排出油滴、水滴。
厦门嘉美晟能源科技有限公司拟进行油水分离解决方案方面的研究, 以解决剩余油脂分离的问题。不过这些残留油物的分离因其特殊性, 因此涉及一些技术秘密, 暂不予公开。待公司专利等出来以后, 即可通过专利进行查询。
参考文献
[1]何晟.浅析餐厨垃圾利用处置不当产生的危害[J].环境卫生工程, 2010, 18 (4) :13~15.
[2]刘卓宝.令全世界恐慌的疯牛病[J].上海预防医学, 2001, 13 (5) :15~20.
[3]Haug R.T.The practical handboox of compost engineering[J].Lewis Publishers, 1993 (2) :285.
【分离过程模拟】推荐阅读：
分离过程08-20
我与孩子的分离过程05-17
模拟工作过程07-14
化工过程模拟技术06-28
地铁施工过程模拟研究07-27
复合材料接头试验件破坏过程模拟05-28
树脂分离07-20
基因分离05-17
四分离06-21
数据分离06-24