沸石交换柱内流体流动特性模拟

张林栋，刘传皓

（1. 河北工业大学 海水利用技术工程研究中心，天津 300130；2. 河北工业大学 化工学院，天津 300130）

沸石交换柱内流体流动特性模拟

张林栋1,2，刘传皓2

（1. 河北工业大学 海水利用技术工程研究中心，天津 300130；2. 河北工业大学 化工学院，天津 300130）

借助计算机软件模拟技术对流体在沸石交换柱内的流动特性进行研究，考察不同因素对流速径向分布的影响．多孔介质在沸石交换柱内的随机排列使得近壁处出现壁效应从而引起流速径向分布的变化．随着海水进口流速的增大，交换柱内的流体径向流速分布越宽，近壁处流速分布曲线震荡幅度越大，在无滑动柱壁上，流速会突然降为0．颗粒直径越大，床层空隙率最小值出现的位置距离壁面越远，颗粒在近壁处的排列越混乱，流速的波动距离越小，波动幅度随粒径的增大而增大．以Cl离子为示踪剂对沸石交换柱内的流体流动的相关实验结果表明，模拟结果与实验结果基本一致．

离子交换过程；流体力学；数学模型；COMSOL 模拟；流速径向分布

0 引言

沸石交换柱中的流体分布会对颗粒外的传质产生显著影响．但是，很多研究忽略了这一影响因素，认为径向速度是一个常数[1-3]．在沸石交换柱管式反应器中，建立沸石交换柱液相流体动力学模型时，通常将交换柱内的流动假设成连续均匀的[4-5]．但在实际生产中径向绝对均匀（如床层空隙率是常数） 的交换柱是不可能存在的[6]．即使在线性吸附条件下，实验曲线与预测曲线之间也会出现偏差[7]．为了解释这一现象，径向流率的变化备受研究人员关注．

随着计算机模拟技术的发展，数学建模普遍应用在工业设计和验证实验数据方面．对于沸石交换柱，通过编写程序或使用商业软件可以对流体动力学进行计算模拟．例如，商业软件包COMSOLMultiphysics，由于其界面比较友好，而广泛应用于流体力学模拟计算[8]．

1 实验和方法

1.1 沸石交换柱中的二维流动模型

对式 (3) 进行无量纲化，变为

轴向方向上由于流动会出现压强差，此时沸石交换柱内的渗透率可表示为[13]

其中： 为床层空隙率；dp为颗粒直径，m．

基于的 Ergun 的实验结果得到的动量方程几何函数 F[14]，可以写为孔隙率p和颗粒直径 dp的函数，如Vafai给出的式 (6)[15]

Mueller对 Roblee、Benenati和 Brosilow 及 Ridgway 人得到的实验数据进行了关联，总结出仅包含一个方程的经验模型，并考虑了床层直径和颗粒直径对空隙率变化的影响及空隙率的衰减波分布．该模型用床层与颗粒直径比和距壁面的无因次距离表示，适用于2.61 的任意柱形随机沸石交换柱．表达式如式 (7)[16]

1.2 实验研究

为考察沸石交换柱内流体流动模拟结果与实际沸石交换柱内流体流动实验结果之关系，对前人的试验结果进行了分析．由于斜发沸石对Cl离子无吸附作用，采用Cl离子作为示踪剂，通过交换柱上采样口取样分析，由Cl离子浓度的径向分布情况显示流体流过交换柱时的流速径向分布．

在实验过程中，首先在储液槽中配制质量百分含量为 19.5%的盐水，并用清水自上而下冲洗离子交换柱，直到出口水的Cl离子浓度与清水接近为止．然后关闭离子交换柱进料阀，启动盐水泵，开启盐水循环阀，使盐水在储液槽内自循环，并调节泵的出料阀，使流量稳定在每次实验的要求范围．开启离子交换柱进料阀，关闭盐水循环阀由上至下将盐水以一定流量 （10 L/m in，20 L/m in，30 L/m in，50 L/m in） 通入已充满清水的沸石柱．当通入料液的液面接近采样口时，打开采样管的阀门，每通入盐水5L取样1次，测定样品中Cl离子含量．由所得数据分析流体在柱内的流动规律．

第 1 层采样口实验结束后，同理再进行第 2，第 3、4 层采样口的实验，而后改变流量，重复上述实验．

2 结果与讨论

2.1 床层空隙率与流速径向分布模拟

在随机填充粒径为 0.62mm的多孔介质，填充高度为 850mm的交换柱 （40mm × 1 000mm） 内，于20 ℃下沿交换柱轴向方向自上而下，以 270m L/m in（3.58 × 103m/s） 的速度通入清水．在稳态条件下，径向上床层空隙率的模拟结果分别见图1．

由图1可知，在沸石交换柱中，靠近壁面的颗粒分布高度规则，导致尽可能多的颗粒与壁面出现点接触，因此此处的 =1，床层空隙率最大．在 0.5 dp处会有最多数量的颗粒中心，使得此处的床层空隙率存在最小值．依附第1层颗粒而形成的第2层颗粒，其分布情况没有出现前者的规则，之后的各层分布也越来越混乱，直到在约 8 dp处形成完全随机分布，之后的床层空隙率基本保持不变．床层空隙率的这种变化将会导致壁效应的发生．

2.2 进口流速对流速径向分布的影响

在随机填充粒径为 0.62 mm 的多孔介质，填充高度为 850mm和未填充多孔介质的交换柱（40mm × 1 000 mm） 内， 于 20 ℃ 下沿交 换柱轴 向方向 自上而下，分别以 200m L/m in（2.65 × 103m/s）、240m L/m in（3.18 × 103m/s）、270 m L/m in（3.58 × 103m/s）、300m L/m in（3.98 × 103m/s） 的流速通入盐度为 35‰的海水．在稳态条件下，进口流速对流速径向分布影响的模拟结果见图2．

由图2可知，在沸石交换柱中，海水进口流速越大，靠近柱壁的流速也变得越来越大．但是在无滑动柱壁上，流速会突然降为0．同时，随着流量的增加，虽然流速分布曲线类似，但震荡幅度变得越来越大．

2.3 颗粒直径对流速径向分布的影响

图1 沸石交换柱中空隙率的径向分布Fig.1 Steady void fraction profileof radialdirection of azeolite exchange column

图2 不同进口流速条件下多孔介质区内流速的径向分布Fig.2 Radialvariation of axialvelocity in the porousmedia area for differentvolumetric flow rates

从图3可以看出，颗粒直径不同，床层空隙率径向分布曲线类似，在近壁处都会出现较大波动，壁面处床层空隙率都达到1，中心处床层空隙率趋于稳定．粒径越大，床层空隙率最小值出现的位置距离壁面越远，波动幅度越大，表明颗粒在近壁处的排列越混乱．

由图4可知，颗粒直径影响床层空隙率的变化，从而引起流速径向分布的变化．粒径越大，流速的波动距离越小，更容易趋于稳定，但波动幅度随粒径的增大而增大．海水流速随颗粒粒径变化的程度比床层空隙率的大．当粒径很小时 （0.38 mm），波动距离与波动幅度都较小，而且吸附剂颗粒越小其外比表面越暴露，越有利于吸附过程．

图3 不同颗粒直径条件下沸石交换柱中空隙率的径向分布Fig.3 Steady void fraction profileof radialdirection of a zeolite exchange column for differentparticle diameters

图4 不同颗粒直径条件下多孔介质区内流速的径向分布Fig.4 Radialvariation of axialvelocity in the porousmediaarea for differentparticle diameters

2.4 相同流量下流体流经沸石柱不同高度的流动特性

在流速为 9.7 m/h（即流量 30 L/m in） 下，以盐水通过离子交换柱不同高度的体积为横坐标，以交换柱相应高度处横截面上不同位置所取试样的 Cl离子浓度为纵坐标作图，可得出流过各层不同位置采样口的流体体积与Cl离子浓度变化曲线，如图5所示．

图5 交换柱不同高度处的Cl离子浓度变化图（相同流量）Fig.5 Concentration of Cl ion atdifferentheightsof theexchange column(atsame flux)

由图5可以看出，同一流速下，流经交换柱较高横截面时，流体流经交换柱较高横截面时径向扩散分布明显；而流体流经交换柱较低横截面时，流体轴向流动过程中，由于交换柱内沸石的阻力，使流体径向流速逐渐趋于相等，使径向扩散分布消除．

2.5 不同流量下流体流经沸石柱不同高度的流动特性

在流量分别为 10L/m in，20L/m in，30L/m in，50L/m in 下，测定流体流经沸石柱不同高度时体积与浓度的变化．以同一时刻盐水通过离子交换柱的体积为横坐标，以相应试样的 Cl离子浓度为纵坐标作图，可得出不同流量时距器壁 12 cm处Cl离子浓度随流过体积的变化曲线图，如图6 所示．

由图6 可以看出，不同流量的流体流经距交换柱出口 1 300mm以上时，流出的流体的体积约 50L，Cl离子浓度即可达到 100 g/L，而且流出流体的体积 ＞ 50 L时Cl 离子浓度趋于平衡；而当流体流经距交换柱出口 330mm时，流出的流体的体积 ＞ 80 L，Cl 离子浓度才可达到 100 g/L．说明流体流经交换柱一定高度后，流体轴向扩散不明显．

图6 交换柱不同高度处的Cl离子浓度变化图（不同流量）Fig.6 Concentration of Cl ion atdifferentheightsof theexchange column(atdifferent flux)

3 结论

本文对流体在沸石交换柱内的流动特性进行模拟研究．模拟结果表明，多孔介质在沸石交换柱内的随机排列使得近壁处出现壁效应从而引起流速径向分布的变化．随着海水进口流速的增大，交换柱内的流体径向流速分布越宽，在无滑动柱壁上，流速会突然降为0．颗粒直径越大，流速的波动距离越小，波动幅度随粒径的增大而增大．以 Cl离子为示踪剂对沸石交换柱内的流体流动的相关实验结果表明，模拟结果与实验结果基本一致．

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[责任编辑 田 丰]

Simulation of the fluid flow characteristics in the zeoliteexchange column

ZHANG Lin-dong1,2，LIU Chuan-hao2
(1.Engineering Research Centerof SeawaterUtilization Technology ofM inistry ofEducation,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China;2.Schoolof Chem icalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Technology of computer software simulationwasused to research the flow properties in the zeolite exchange column.Due to the random distributionofporousmediain the fixed bed,walleffectappeared near thewall,thuscausing the changeof radial flow velocity distribution.With theincreaseofseawaterinletvelocity,flow velocity radialdistribution of fluid becamew ider.However,the flow velocity suddenly dropped to 0on thenon-slip columnwall.When theparticle diameterbecame larger,thearrangementofparticlesnear thewallwasmore confused;particlesin thenearwallarrangementweremore chaos;distance velocity fluctuationswas smaller;and wave amplitude increased w ith increase of aggregate size.The Cl ion exchangeon zeolite tracer fluid flow in the column on the related experimental resultsshow that the simulated resultsagreew ith the experimental results.

ion exchange process;hydromechanics;mathematicalmodel;COMSOL simulation;radial flow velocity distribution

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.010

1007-2373(2014)05-0055-06

TQ 013.2

A

2014-06-03

河北省自然科学基金（B2013202087）

张林栋（1949-），男（汉族），教授，Email：forzhld@163.com ．