尿素合成塔高效塔板的Fluent數(shù)值模擬*

趙 雙，王慶鋒，龐 鑫

（北京化工大學故障診斷與自愈工程研究中心，北京100029）

尿素合成塔板結(jié)構(gòu)型式影響氣液兩相流體在合成塔內(nèi)的反應速度和反應時間，進而影響CO2轉(zhuǎn)化率[1]。國內(nèi)市場上存在卡薩利塔板、卡薩利Z 型塔板、卡薩利-戴恩特塔板、噴射型塔板以及徑向塔板等結(jié)構(gòu)型式，除后者外其余全部為國外專利技術(shù)且引進技術(shù)成本代價極高。同時，國內(nèi)很多尿素生產(chǎn)企業(yè)引進了“高效塔板”而并沒有達到提高CO2轉(zhuǎn)化率和增加產(chǎn)能的目的。合成塔直徑、合成塔板結(jié)構(gòu)型式、尿素生產(chǎn)負荷和CO2轉(zhuǎn)化率的之間的關(guān)系國外專利商沒有公布，企業(yè)選擇合成塔板存在很大的盲目性。通過制作不同結(jié)構(gòu)類型的尿素合成塔板進行工業(yè)化實驗成本高且具有結(jié)果不可預測性，工業(yè)上急需一種能較精確模擬流體狀況、操作簡單、成本低廉且效果明顯的方法。運用計算流體力學[2]（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）的方法對高效塔板中的卡薩利Z 型塔板（分為有擋板和無擋板兩種）和噴射型塔板進行模擬，基于雙歐拉兩相流模型和k-ε 湍流模型，建立三維合成塔兩塔板間的流場來模擬氣液兩相流體的流動情況，得出生產(chǎn)負荷與塔板結(jié)構(gòu)型式的關(guān)系，通過數(shù)值模擬得到最高效的塔板以及塔板的最佳操作工況點，以達到應用到實際生產(chǎn)中提高轉(zhuǎn)化率、降低能耗的目的，為尿素合成選擇較高效的塔板提供理論支持。

1 數(shù)學模型

兩相流動模擬的控制方程可在單向流控制方程的基礎(chǔ)上采用集平均方法推導。假定液體為連續(xù)相，氣體為分散相且不可壓縮，不考慮相間質(zhì)量和熱量傳遞，控制方程如下[3]：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

采用標準k-ε 方程計算湍流，k-ε 湍流控制方程如下：

方程（2）中Fi 表示相互間作用力，包括曳力、升力、虛擬質(zhì)量力、湍流擴散力、壁面作用力等[4-6]。方程（5）（6）中Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk為湍流參數(shù)，模擬時分別取1.44、1.92、0.09、1.0、1.3。

2 塔板氣液流場的模擬

2.1 建模

選取尿素合成塔中任意兩塊塔板間的流動通道對卡薩利Z 型塔板和噴射塔板的氣液兩相流體進行模擬。按工業(yè)實際應用塔板的真實尺寸和結(jié)構(gòu)，用Soidworks 三維制圖軟件建模，為方便邊界條件設(shè)置，模型上的孔結(jié)構(gòu)全部處理成凸臺[7]?？紤]到計算資源的有限性，截取最能代表流場流動特點的部分：Z 型塔板由計算域豎直中心截面向兩側(cè)分別截取6mm 距離，噴射塔由計算域豎直中心截面向兩側(cè)分別截取11.5mm，得到新計算域。

模擬的塔板尺寸及關(guān)鍵參數(shù)：操作壓力20.1325MPa；溫度178℃；體積流量、流通面積、理論流速和塔板直徑等見表1，其中卡薩利Z 型有擋板塔板與無擋板塔板尺寸及關(guān)鍵參數(shù)相同。

Z 型塔板、Z 型有擋板塔板、噴射塔板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）～（c）所示。

表1 塔板尺寸及關(guān)鍵參數(shù)表Tab.1 Plate size and key parameter table

圖1 塔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the plates

2.2 網(wǎng)格劃分

塔板氣相進出口尺寸較小且數(shù)量較多，建模時氣體和液體進出口的網(wǎng)格劃分得較密，其余部分的網(wǎng)格劃分得相對較疏。這樣可以節(jié)約計算資源，提高求解速度[8，9]。具體的網(wǎng)格數(shù)及網(wǎng)格尺寸數(shù)據(jù)見表2。

表2 網(wǎng)格尺寸及數(shù)量Tab.2 Grid size and number

2.3 Fluent 條件設(shè)定

對兩塔板間氣液兩相流體模擬采用Fluent6.3.26 作為求解器，計算采用標準k-ε 湍流模型，收斂標準為10-3，假定氣液兩項不發(fā)生化學反應，將液相材料定義為H2O，氣相材料定義為CO2。模擬基本參數(shù)設(shè)置見表3，邊界條件見表4。

表3 模擬參數(shù)的設(shè)置Tab.3 Set simulation parameters

表4 邊界條件Tab.4 Boundary conditions

3 結(jié)果與討論

增大氣相和液相的接觸面并增加停留時間是提高合成塔中CO2轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵。本文用氣含率即氣相占氣液混合物體積的百分率，以及氣相分布情況表征氣相和液相混合的均勻程度，間接表征CO2轉(zhuǎn)化率大小[10]。相同工況下，通過改變塔板結(jié)構(gòu)來對比不同塔板的效率；同一塔板，通過改變生產(chǎn)負荷來分析塔板的操作彈性。進而得出最高效的塔板以及塔板的最佳操作工況點。

3.1 相同工況下不同塔板的氣含率分布

為比較塔板間氣液兩相混合均勻程度，應選取較大高徑比即接近出口截面上的氣含率及氣相分布情況做比較。以下圖中的氣含率分布曲線皆取自接近出口的截面上。

圖2 相同工況下不同塔板的氣含率分布曲線Fig.2 The same conditions in different trays gas holdup curve

如圖2（a）、3（b）、3（c）、3（d）分別表示生產(chǎn)負荷為100%、120%、160%、200%操作條件下，通過CFD模擬得到相同工況下不同塔板在相等高徑比h/D=0.55 情況下的氣含率對比圖。

由圖2 可以看出，在生產(chǎn)負荷為100%時：Z 型塔板的氣含率穩(wěn)定在0.18 左右；Z 型有擋板塔板的氣含率穩(wěn)定在0.13 左右；噴射塔板的氣含率有波動，但大體穩(wěn)定在0.3 左右。生產(chǎn)負荷上升為120%時：Z 型塔板液體進口區(qū)域的氣含率較低，其他區(qū)域的氣含率仍然保持在0.18 附近；有擋板的情況對比之前幾乎沒有改變；噴射塔板的氣含率波動減小了許多，總體穩(wěn)定值仍為0.3 沒有改變。當生產(chǎn)負荷上升到160%時，除了噴射塔板的氣含率波動變得更小之外，其他均為改變。生產(chǎn)負荷達到200%時，情況亦是如此。

通過對比不同塔板氣液混合及流動達到穩(wěn)定狀態(tài)時的氣含率分布，可看出，噴射塔板的氣含率幾乎為Z 型塔板的2 倍，并且氣液混合均勻程度也較高；兩種Z 型塔板的氣含率較小，氣液混合均勻程度也較低。模擬分析結(jié)果表明噴射塔板的氣含率較高、氣液混合較均勻，可提高CO2轉(zhuǎn)化率，利于尿素合成反應的持續(xù)進行。

3.2 不同工況下相同塔板的氣含率分布

如圖3（a）、3（b）、3（c）分別表示Z 型塔板、Z 型有擋板塔板、噴射塔板，通過CFD 模擬得到不同工況下同一塔板在相等高徑比h/D=0.55 情況下的氣含率對比圖。

圖3 不同工況下相同塔板的氣含率分布曲線Fig.3 Different conditions identical trays gas holdup distribution curve

由圖3（a）可以看出，Z 型塔板在不同生產(chǎn)負荷下除100%負荷時液體進口橫向范圍氣含率較高以外，其他氣含率在改變工況的情況下都基本保持在0.18 附近不變。由圖3（b）可以看出，Z 型有擋板塔板在不同生產(chǎn)負荷下氣含率都基本保持在0.13 附近。由圖3（c）可以看出，噴射塔板在生產(chǎn)負荷為100%時，氣含率波動較大，但大體穩(wěn)定在0.3 左右；生產(chǎn)負荷升為120%和160%時，氣含率波動范圍減小了很多；當生產(chǎn)負荷達到200%時，氣含率趨于平穩(wěn)并保持在0.3 附近。

通過對比相同塔板在不同生產(chǎn)負荷下氣液混合及流動達到穩(wěn)定狀態(tài)時的氣含率分布，可看出，Z型塔板在改變生產(chǎn)負荷的條件下，氣含率分布幾乎沒有發(fā)生改變；而噴射塔板隨著生產(chǎn)負荷從100%到200%的增加，氣含率分布是逐漸趨于穩(wěn)定的。模擬分析結(jié)果表明噴射塔板的操作彈性較大，并存在自己的最佳操作工況點，更適用于尿素合成反應過程。

3.4 氣泡直徑對模擬結(jié)果的影響

圖4 為噴射塔板在生產(chǎn)負荷為120%時的氣含率分布曲線。

圖4 噴射塔板不同氣泡直徑氣含率曲線Fig.4 Bubble jet plates of different diameters gas holdup curve

由圖4 可以看出，氣泡直徑為0.9×10-4m 時，氣含率波動較大；氣泡直徑縮小為0.9×10-5m 時，氣含率較為穩(wěn)定。模擬分析結(jié)果表明同一塔板在相同工況下，氣泡直徑變小，氣含率分布變平穩(wěn)，氣泡直徑小有利于氣相和液相接觸面積的增加，利于CO2轉(zhuǎn)化率的提高，有利于尿素合成反應高效持續(xù)進行。

3.5 工程案例

某年產(chǎn)40 萬t 的尿素生產(chǎn)廠，自2004年投用卡薩利Z 型塔板，2013年8月更換為噴射型塔板。兩塔板在相同生產(chǎn)負荷下的實際CO2轉(zhuǎn)化率見表5。實際生產(chǎn)說明相同生產(chǎn)負荷時，噴射塔板的CO2轉(zhuǎn)化率要高于Z 型塔板，與模擬中噴射型塔板氣含率最高的結(jié)果相吻合。此外，更換為噴射型塔板后，尿素日產(chǎn)量最高可達1800t，與模擬中噴射塔板操作彈性大的結(jié)果相吻合。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)證明了模擬結(jié)果的可靠性。

表5 不同塔板的CO2 轉(zhuǎn)化率Tab.5 Different plate CO2 conversion

4 結(jié)論

基于湍流模型利用CFD 模擬分析卡薩利Z 型塔板和噴射型塔板氣液兩相充分混合后的氣含率，研究高效塔板的氣液兩相流混合及流動特性，得出結(jié)論如下：

（1）生產(chǎn)負荷相同的情況下，相比于Z 型塔板，噴射塔板的氣含率較高，氣相分布更均勻，更利于CO2的轉(zhuǎn)化。

（2）同種塔板在生產(chǎn)負荷不同的情況下，噴射塔板操作彈性較大；Z 型塔板改變生產(chǎn)負荷對氣含率的影響不大。

（3）同種塔板在相同生產(chǎn)負荷下，氣泡直徑越小，氣含率分布越均勻，越利于氣液兩相接觸面積的增加，進而提高CO2的轉(zhuǎn)化率。

模擬分析結(jié)果說明，噴射塔板效率高、操作彈性大，更適用于變工況尿素生產(chǎn)過程。

符號說明：

ai：相含率

Ui：流體速度，m·s-1

Fi：相間作用力，N·m-3

g：重力加速度，m·s-2

t：時間，s

ρ：流體密度，kg·m-3

Pi：流體壓力，N·m-3

μt，l：湍流粘度，N·sm-2

Cμ，ε1，ε2：湍動耗散率運輸方程參數(shù)

Gk，l：湍動能產(chǎn)生項

Ⅰ：流體湍動強度

k：湍動能

ε：湍動耗散率

下標

i：物理相態(tài)

T：湍流

［1］王嘉駿,馮連芳,王凱.LDV 和CFD 在流體混合中的應用進展［J］.化學工程,2001,29（4）：62-65.

［2］LI G,YANG X G,DAI G C. Numerical modeling the influence of gas distributors on gas-liquid flow and mixing in a bubble column［J］.Proceedings of the 12th Asian Pacific confederation of chemical engineering congress,2008，（9）：5-035.

［3］WANG Y P,WIL KINSON GB,DRALLMEIER J A. Parametric studyon the filmbreak up ofa cold start PEI engine［J］.Experiments in Fluids,2004,37（3）:385-389.

［4］韓占忠.FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京:北京理工大學出版社,2004.30-82.

［5］王瑞金.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應用實例［M］.北京清華大學出版社,2007.5-7.

［6］王福軍.計算流體力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社,2004.185-212.

［7］Johannes,Henricus.Apparatus for effecting gas/liquid contact［P］.World Intellectual PropertyOrganization. IPN:WO99/46037,1999.

［8］Kachur J P,Afacan A,Chuang K T. Use of structured packing as dual flowtrayin distillation［J］.Chemical EngineeringResearch and Design,2004,82（A7）:813-820.

［9］Jose LB.Select structured packings or trays［J］.Chemical Engineering Progress,1997,93（7）:36-41.

［10］李光,楊曉綱,蔡清白,等.CFD 優(yōu)化大型淺層鼓泡塔管式氣體分布器結(jié)構(gòu)［J］.中國科技論文在線,2008,12（3）:890-894.