加氫反應(yīng)器氣液分配盤數(shù)值模擬

范 勇，榮 蕾，聶永廣，范書虎，周 琳

1.中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，河北 廊坊 065000；

2.中石油北京天然氣管道有限公司華北儲(chǔ)氣庫分公司，河北 廊坊 065000；

3.新奧科技發(fā)展有限公司，河北 廊坊 065000

加氫反應(yīng)器氣液分配盤數(shù)值模擬

范 勇1，榮 蕾2，聶永廣3，范書虎1，周 琳1

1.中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，河北 廊坊 065000；

2.中石油北京天然氣管道有限公司華北儲(chǔ)氣庫分公司，河北 廊坊 065000；

3.新奧科技發(fā)展有限公司，河北 廊坊 065000

以加氫反應(yīng)器UOC（Union Oil Company）型氣液分配盤為對象，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對分配盤內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了研究。根據(jù)某工廠數(shù)據(jù)確定了分配盤的幾何尺寸，應(yīng)用原油和氫氣為介質(zhì)，使用群體平衡模型（PBM）等多種計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，UOC型氣液分配盤是依據(jù)分配盤上單個(gè)分配器的內(nèi)外壓力差作為動(dòng)力，氫氣與原油在分配器內(nèi)外進(jìn)行充分的碰撞，達(dá)到混合及分配效果。原油通過分配盤后以多個(gè)點(diǎn)狀峰值狀態(tài)存在，分配器存在中心聚集現(xiàn)象，消除分配器的中心匯聚現(xiàn)象為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要方向。

加氫反應(yīng)器 模擬計(jì)算 氣液分配器 群體平衡模型

加氫裂化裝置主要有固定床、沸騰床、移動(dòng)床和懸浮床加氫裂化裝置。從近幾年國內(nèi)的應(yīng)用情況來看，固定床加氫裂化裝置約占83%，沸騰床加氫裂化裝置約占15%，移動(dòng)床加氫裂化裝置約占2%，懸浮床加氫裂化裝置目前還處在工業(yè)應(yīng)用的初級(jí)階段[1,2]。固定床加氫反應(yīng)器是固定床加氫裂化裝置的核心設(shè)備，其工作條件苛刻，制造困難且價(jià)格昂貴，且其內(nèi)部反應(yīng)物料的分布和混合情況直接影響著加氫裂化裝置的生產(chǎn)效率。

固定床加氫反應(yīng)器的內(nèi)部通常設(shè)置有入口擴(kuò)散器、氣液分配盤、積垢籃筐、冷氫箱、催化劑床層和出口收集器等內(nèi)部構(gòu)件。其中，氣液分配盤是加氫反應(yīng)器內(nèi)起氣液分配作用的關(guān)鍵內(nèi)構(gòu)件。氣液分配盤內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)較為復(fù)雜，目前國內(nèi)外報(bào)道中多為對氣液分配盤單個(gè)氣液分配器的實(shí)驗(yàn)與模擬研究，對整個(gè)分配盤內(nèi)氣液流動(dòng)的研究甚少。本工作采用 FLUENT軟件對國內(nèi)加氫反應(yīng)器內(nèi)應(yīng)用較多的UOC（Union Oil Company）型氣液分配盤進(jìn)行了全尺寸數(shù)值模擬計(jì)算，通過數(shù)值模擬的方法來研究分配盤內(nèi)氣液流動(dòng)及分布狀況，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明方向。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 反應(yīng)器內(nèi)多相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)情況都是以質(zhì)量、動(dòng)量和能量這3大守恒定律來作為基礎(chǔ)的[3]。本工作的計(jì)算中僅考慮流體的流動(dòng)，未考慮流體的傳熱及反應(yīng)，因此流體在歐拉坐標(biāo)下需滿足以下基本方程。

質(zhì)量守恒方程：

式中：αk為第k相體積分率；ρk為第k相的密度，kg/m3；uk為第k相的速率，m/s。

反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)系統(tǒng)都必須遵守的基本定律之一就是動(dòng)量守恒定律。遵照這一定律，可以推導(dǎo)出x，y和z 3個(gè)方向上的動(dòng)量守恒方程，也稱之為Navier-Stokes方程，通常簡稱為N-S方程：

式中：P為反應(yīng)器內(nèi)的壓力，Pa；τk為第 k相的應(yīng)力張量，N·m2；g為重力加速度，m/s2；Fjk為j與k相之間的動(dòng)量交換系數(shù)，N/m3。

2 幾何模型、邊界條件及求解方法

2.1 幾何模型

UOC型氣液分配盤主要由塔盤、下降管和均布在塔盤上的分配器組成[4-6]。氣液分配盤的作用是將氣液兩相物料進(jìn)行充分混合后均勻分散到催化劑床層上，單個(gè)分配器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中分配器上均布著多條齒縫，采用齒縫數(shù)為6條。

圖1 分配器結(jié)構(gòu)簡圖及均布方式Fig.1 The distributor structure and arrangement

工業(yè)中根據(jù)反應(yīng)器直徑的不同，將分配盤上的分配器分為兩種基本結(jié)構(gòu)（尺寸參數(shù)見表1），其目的是保證分配盤上的開孔率，也就是保持一定的塔盤壓降，同時(shí)使氣液兩相反應(yīng)物料均勻地分配到整個(gè)催化劑床層橫截面上[4]。

表1 分配器結(jié)構(gòu)尺寸表Table 1 Dimension of structure for distributor

本工作研究對象為第二種結(jié)構(gòu)尺寸的分配器，分配器在塔盤上呈正三角形均布，兩個(gè)分配器的中心間距為140 mm，在整個(gè)塔盤上排列著65個(gè)分配器，計(jì)算得出塔盤上的開孔率為14.02%，符合通常使用13%～15%的要求。

氣液分配盤區(qū)域的幾何模型如圖2所示，氣液兩相反應(yīng)物料從上部的進(jìn)口進(jìn)入氣液分配盤區(qū)域，然后經(jīng)過分配盤的混合和分配作用到達(dá)塔板下方，從出口流出。本區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格全部采用了3維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)目為305 760，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖2 氣液分配盤區(qū)域幾何模型Fig.2 Geometrical model of gas-liquid distribution plate

圖3 計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Calculation mesh

2.2 邊界條件和求解方法

計(jì)算區(qū)域的入口采用速度入口邊界條件，如式（3）所示；出口則采用充分發(fā)展的出口邊界條件。

式中：G為整個(gè)反應(yīng)器的年處理量，t；ρinlet為進(jìn)口處物料的密度，kg/m3；uinlet為進(jìn)口處物料的速度，m/s。

對于原料的密度和黏度，采用文獻(xiàn)[7-9]中高溫高壓下油品密度和黏度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：T為反應(yīng)溫度，K；P為操作壓力，Pa；ρ0是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.15 K，101 325 Pa）的密度，kg/m3；ΔPρ是因壓力變化而引起的密度變化量；ΔTρ是因溫度變化而引起的密度變化量。計(jì)算流體分別為氫氣及原油，氫氣及原油的物性參數(shù)，如表2所示。

表2 原料物性及操作參數(shù)Table 2 Properties of raw materials and operating parameters

計(jì)算過程中將第一相設(shè)置為氫氣相，第二相設(shè)置為油品相，采用歐拉雙流體模型，湍流計(jì)算方法選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

進(jìn)口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口；進(jìn)口和出口處的湍流指定方法均使用的是湍流強(qiáng)度和水力直徑數(shù)值：采用3維非穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)置為0.005 s；壓力和速度的耦合方法采用SIMPLE算法[3,10]。

3 結(jié)果分析

3.1 壓力云圖分析

X為0截面是穿過分配器齒縫處的一個(gè)剖面，Z為100 mm平面是距離塔板頂部100 mm貫穿分配器齒縫的一個(gè)橫截面。圖4為計(jì)算區(qū)域在X為0截面的壓力分布云圖，圖5是Z為100 mm平面的壓力分布云圖。由圖4和5可清晰看到，塔板上部的分布塔盤的壓力變化主要分為3個(gè)層次，從分配器外、中間環(huán)形區(qū)域和中心下降管依次降低，這種變化趨勢在塔盤上的65個(gè)分配器上都得到了體現(xiàn)。從圖5可看出，在每個(gè)分配器的中間環(huán)形區(qū)域，均有6小片壓力值較高的區(qū)域，在齒縫處氣相占據(jù)了大部分的通道，氣相從齒縫處沖進(jìn)中間環(huán)形區(qū)域引起局部壓力值的升高。每個(gè)分配器上均勻地分布著6道齒縫，所以在每個(gè)環(huán)形區(qū)域中出現(xiàn)了6小片壓力值較高的區(qū)域，分配器內(nèi)外的壓力差是氣液兩相流動(dòng)的動(dòng)力。

圖4 X為0截面壓力云Fig.4 Pressure contour at X=0 surface

圖5 Z為100 mm截面壓力分布云Fig.5 Pressure contour at Z=100 mm surface

3.2 流場分析

圖6是X為0截面的氣相速度云圖，圖7為選取的單個(gè)分配器齒縫剖面處的氣相速度矢量放大圖。

圖6 X為0截面氣相速度云Fig.6 Gas velocity at X=0 surface

圖7 X為0截面上單個(gè)分配器處氣相速度矢量Fig.7 Gas velocity vectors of single distributor at X=0 surface

由圖6和7可以看出，氣相到達(dá)分配盤區(qū)域后，由于流通面積的減小，速度在各處都有不同程度的增大，在每個(gè)齒縫的下沿附近，速度出現(xiàn)了極大值。氣相進(jìn)入計(jì)算區(qū)域后先向下流動(dòng)，到達(dá)分配器區(qū)域后，遇到分配器的上頂面的阻擋而向分配器兩側(cè)流動(dòng)，沿著分配器外壁面向下流動(dòng)。當(dāng)氣相到達(dá)齒縫處后，由于存在壓力差，氣相向中間的環(huán)形區(qū)域流動(dòng)，同時(shí)由于流通面積變小，速度變大，此后再沿著下降管外壁面爬升到達(dá)分布器上部區(qū)域，速度轉(zhuǎn)向180°后向下，最后沿著下降管向下流動(dòng)。

Z為100 mm平面上單個(gè)分配器氣液相速度分布局部放大云圖如圖8。左側(cè)圖為氣相速度分布云圖，右側(cè)圖為液相速度分布云圖。氣液相均在分配器內(nèi)外出現(xiàn)了速度的劇烈變化，分配器外氣相速度較大，氣相攜帶液相運(yùn)動(dòng)，分配器下降管中液相速度較大，液相的運(yùn)動(dòng)又推動(dòng)了氣相的運(yùn)動(dòng)，氣液相在分配器內(nèi)進(jìn)行了比較充分的混合，而這種混合也有利于加氫反應(yīng)器在催化床層內(nèi)的充分反應(yīng)。

圖8 Z為100 mm截面氣、液相速度分布局部云Fig.8 Gas and liquid velocity partial contour at Z=100 mm surface

3.3 體積分率云圖分析

圖9為采用雙流體模型時(shí)，計(jì)算區(qū)域在X為0截面的液相體積分率云圖。由圖可知，液相進(jìn)入計(jì)算區(qū)域后，并不會(huì)直接通過分配塔盤進(jìn)入塔板下方，首先在塔板上進(jìn)行積累，當(dāng)積累到一定高度后，沒過分配器齒縫的下邊緣，液相被從齒縫進(jìn)入中間環(huán)形區(qū)域的氣相攜帶，沿著下降管外壁開始上升，可以看到分配器下降管外壁下側(cè)積累了大量的液相，氣相攜帶液相到達(dá)下降管上側(cè)后，轉(zhuǎn)向 180°向下流動(dòng)，此時(shí)在分配器轉(zhuǎn)向處會(huì)有大量的液相積累，最后所有的液相會(huì)在分配器下降管中心處匯集碰撞，向下流動(dòng)。每個(gè)分配器在塔板下方形成了一個(gè)液相聚集的峰值，對于本次模擬計(jì)算的氣液分配盤，液相在塔板下方形成了65個(gè)點(diǎn)狀峰值，本類型的氣液分配盤實(shí)現(xiàn)了一定的氣液分配效果。同時(shí)還可以看出，此種類型的氣液分配器存在中心聚集現(xiàn)象，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)來減弱中心匯聚現(xiàn)象。

圖9 X為0截面上液相體積分率云Fig.9 Liquid volume fraction at X=0 surface

3.4 使用群體平衡模型進(jìn)行多相流計(jì)算

加氫反應(yīng)器氣液分配盤在進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)存在將大液滴吹散變成小液滴，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)小液滴聚集并形成大液滴的現(xiàn)象，使得在流動(dòng)過程中存在多種直徑大小的液滴，為了實(shí)現(xiàn)液相多種液滴直徑的計(jì)算，本工作在計(jì)算中采用了PBM模型（群體平衡模型）來考慮液滴破碎和聚并問題[11]。圖10為采用PBM模型計(jì)算得到的X為0截面上的液相體積分率云圖。由圖10可知，液相通過UOC型氣液分配盤時(shí)，液相的聚并和破碎現(xiàn)象沒有影響到液相在分配器下降管中間的匯聚，液相中心匯聚現(xiàn)象仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。這種計(jì)算結(jié)果與采用單液滴直徑的計(jì)算結(jié)果是一致的。在模擬計(jì)算時(shí)采用PBM模型的計(jì)算量較大，對網(wǎng)格要求高，且計(jì)算容易發(fā)散。因此在之后進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，使用單一液滴直徑也能夠描述UOC型氣液分配盤的氣液分配現(xiàn)象。消除分配器下降管中的中心匯集現(xiàn)象是進(jìn)行UOC型氣液分配盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)的一個(gè)主要方向。

圖10 使用PBM模型計(jì)算得到的 X為0截面液相體積分率云Fig.10 Liquid volume fraction contour at X=0 surface

4 結(jié) 論

本工作對目前固定床加氫反應(yīng)器應(yīng)用較多的UOC型氣液分配盤進(jìn)行了研究。模擬結(jié)果清晰地描述出UOC型氣液分配塔盤內(nèi)壓力、速度和液相體積分率的分布情況，這些變化情況與工業(yè)現(xiàn)場的UOC型氣液分配盤實(shí)際現(xiàn)象相同，從而得到使用FLUENT軟件對UOC型氣液分配盤進(jìn)行研究是可行的。計(jì)算結(jié)果顯示，在UOC型氣液分配盤中，原油在每一個(gè)分配器的下降管區(qū)域出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的中心匯集現(xiàn)象，導(dǎo)致每一個(gè)分配器中心區(qū)域液相體積分率較高，四周較低。原油和氫氣通過氣液分配盤后產(chǎn)生了一定的氣液分配效果，通過分配盤后液相以點(diǎn)狀峰值狀態(tài)存在，不利于之后在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的催化反應(yīng)，因此消除此類型分配器的中心匯聚現(xiàn)象為其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要方向。

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Numerical Simulation of Gas-Liquid Distribution Plate in Hydrogenation Reactor

Fan Yong1，Rong Lei2，Nie Yongguang3，F(xiàn)an Shuhu1，Zhou Lin1
1.China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co Ltd, Langfang 065000, China;
2.Petro China Beijing Natural Gas Pipeline Co Ltd, Huabei Branch Company, Langfang 065000, China;
3.ENN Technology Development Co, Langfang 065000, China

The Computational Fluid Dynamics (CFD) method was used to study the gas-liquid two-phase flow in the Union Oil Company (UOC) type distribution plate of the hydrogenation reactor.According to the data of a factory, the geometric dimensions of the distribution plate were determined and the calculations were completed using the Population Balance Model (PBM) and other calculation models with the crude oil and hydrogen gas as medium.The results showed that UOC gas-liquid distributor was driven by the difference of the internal and external pressure of the distributor on the distribution plate, and the hydrogen and the crude oil were fully collided inside and outside of the distribution plate to mix and distribute.The crude oil existed in many dot-like peak spots after the oil passed through the distribution plate and the central agglomeration phenomenon was observed.Eliminating the central convergence phenomenon of the distributor would be the main direction of its structural improvement.

hydrogenation reactor; simulation calculation; gas-liquid distributor; population balance model

TE966

A

1001—7631 ( 2017 ) 04—0349—07

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.04.0349.07

2017-07-10；

2017-07-24。

范 勇（1984—），男，碩士，工程師。E-mail: 309993356@qq.com。