湿法烟气脱硫中应用响应曲面法的波纹板除雾器钩片尺寸优化

1.4网格独立性验证

使用AutoCAD创建二维几何模型,用gambit软件进行网格划分,对近壁面附近的区域利用边界层网格进行加密处理,整个流场均采用结构化网格,网格划分完毕后导入到Fluent14.0进行数值计算。对计算结果进行网格无关性检验,网格总数选取30000~80000个,综合考虑计算结果的准确性与计算时间的合理性等问题,当网格数总数增加到67000个以上时,出口速度场分布、除雾效率、压力损失等计算结果几乎维持不变。

2响应曲面模型

本文考察钩片直段长度、圆弧段转折角度和圆弧段转折半径对除雾器性能产生的影响,采用了最高次项为二次的曲面方程,该方程囊括了各单因素的一次项、两相同因素的平方项及两不同因素组合的交互项。具体方程形式为

基于前期的研究,根据响应曲面法设计原理,本实验采用Box-Behnken设计法进行实验设计,建立回归模型,其影响因素和水平如表2所示。

表2影响因素与水平

3计算结果与方差分析

3.1实验验证

数值计算参照东南大学实验数据进行设置[12],折流板除雾器的板间距为26mm,出口直段长度为20mm,入口直段长度为30mm,转折段长度为140mm,除雾器转弯角度为90°。本文综合考虑了浆液滴的破碎和小液滴的聚合效应,利用该数学模型的计算结果与实验数据进行对比,来提高和证明带有液滴破碎、聚合模型的准确性。

对比结果如图2所示。由图2可见,在临界流速以下时,实验结果与数值模拟结果的分离效率变化趋势吻合,并且带有液滴破碎、聚合的模型与实验数据符合更好。

图2数值模拟结果与实验数据的比较

3.2单因素对除雾器性能的影响

钩片直段长度、钩片圆弧段转折角度及圆弧段转折半径对除雾器性能的影响如图3~5所示。由图可知,当H由10mm增加到26mm,除雾效率可由80.77%提高到98.98%;同样r也增加16mm,除雾效率仅由92%增加到98.98%;β由14°增加到40°时,除雾效率由82.04%增加到93.45%。

对于线性项,影响除雾器性能最为明显的因素是钩片直段长度,并且压力损失与钩片长度之间的关系呈现指数增长的趋势,其他2个因素对除雾器性能的影响规律与之基本相似。钩片的存在使两相流体在叶片之间产生强烈偏转,惯性力使浆液滴从连续相的流线中分离出来,碰撞到壁面上而被捕集,因此除雾效率不断上升,同时钩片贡献了较大的局部阻力损失,这也是带钩波纹板除雾器与普通折板式除雾器相比具有的明显特点。

图3钩片直段长度对除雾器性能的影响

图4钩片圆弧段转折角度对除雾器性能的影响

图5钩片圆弧段转折半径对除雾器性能的影响

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