精餾塔內(nèi)氣體分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

余 帥 厲彥忠 劉景武 洪 坤 張建松

(1 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049)

(2 浙江智海化工設(shè)備工程有限公司 杭州 313000)

1 引 言

在精餾塔的氣體分離過程中,氣流的初始分布和壓降對其分離效率具有重大影響,塔內(nèi)氣體分布器的性能優(yōu)劣則直接影響氣流的初始分布,隨著新型填料精餾塔的發(fā)展和日益廣泛地應(yīng)用[1-3],眾多學(xué)者對精餾塔內(nèi)不同類型氣體分布器的流動規(guī)律進(jìn)行了較為全面的研究,研發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)的氣體分布器。董宜仁等[4]研究了不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下入口速度分布對分布器性能的影響,杜明等[5-8]通過搭建試驗臺對雙列葉片式分布器和雙切向環(huán)流式分布器進(jìn)行了研究。張呂鴻等[9-11]通過數(shù)值模擬的方法對不同類型氣體分布器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。目前的研究存在以下兩個方面的不足:設(shè)計得到的分布器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在實際的精餾塔應(yīng)用中存在制造加工方面的困難;目前的研究大多集中在分布器本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,對于前端進(jìn)氣結(jié)構(gòu)及帶填料時的分布器的研究較少,與實際生產(chǎn)中應(yīng)用的分布器存在差異,對設(shè)計和選型提供的指導(dǎo)有限。本研究通過數(shù)值模擬方法研究了一種精餾塔內(nèi)常用的分布器的流動特性,分析了分布器的進(jìn)氣結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)布局及填料層對其性能的影響,能夠為分布器的優(yōu)化設(shè)計提供更為全面、準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

2 氣體分布器結(jié)構(gòu)

在實際生產(chǎn)中,精餾塔直徑一般為?3—5.5 m,由于不同尺寸下氣體分布器的流動特性具有相似性,本研究對塔徑?4.48 m 的情況進(jìn)行模擬計算。所選取的氣體分布器直徑為?4 480 mm,高度為1 400 mm,入口直徑及導(dǎo)流板高度都為1 000 mm,氣體分布器內(nèi)筒上開孔大小為寬度99 mm,高度500 mm,開孔數(shù)量為12,帶填料時填料層的高度為450 mm,分布器物理模型如圖1 所示。

圖1 分布器物理模型(mm)Fig.1 Physical model of gas distributor(mm)

3 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 湍流模型及多孔介質(zhì)模型

在模擬計算過程中,基于實際情況的限制,作如下假設(shè):模擬實際運行時精餾塔下塔的壓力和溫度狀態(tài),三維不可壓縮定常單相流動;帶填料層計算時同一層填料為大小相近,均勻,性質(zhì)相同的顆粒。

湍流模型采用Realizablek-ε模型:

式中:k為湍動能,J;ε為湍動耗散率;k的輸運方程為:

式中:C1=1.9,Cμ=0.09,σε=1.2,σk=1.0。

多孔介質(zhì)的模型是在標(biāo)準(zhǔn)流體流動方程中加入動量源項來表示。對于單相流動,其源項表達(dá)式如下:

式中:α為滲透率;C2為慣性阻力系數(shù),1/m。對于精餾塔,α和C2的經(jīng)驗計算公式如下:

式中:Dp為吸附劑顆粒直徑,m;ε1為填料層孔隙率。

計算采用Fluent 基于壓力的求解器,湍流模型為Realizablek-ε模型,湍動能耗散方程、動量方程、湍動能均采用一階迎風(fēng)格式離散,對流項采用二階迎風(fēng)格式離散[12]。各項收斂殘差設(shè)為1 ×10-6。

3.2 邊界條件

(1)入口:速度入口,一維流動,在入口處取中心速度為4.99 m/s,進(jìn)口密度取實際氣體密度20.24 kg/m3,粘度為7.4 ×10-6Pa·s。

(2)出口:壓力出口,相對壓力設(shè)為0。

(3)壁面:采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計算。

3.3 氣體分布器性能指標(biāo)

常采用的氣體分布器性能評價指標(biāo)為不均勻度和壓降。不均勻度的表達(dá)式如下:

式中:λ表示氣體分布器出口截面上的不均勻度,其值越小,分布器性能越優(yōu)良;ui表示第i個微元面積垂直方向上的速度,m/s;u-表示整個截面垂直方向上的平均速度,m/s;Ai表示微元面積。

氣體分布器壓降定義為氣體進(jìn)口面與出口面的平均壓力差,其表達(dá)式如下:

式中,Δp表示氣體分布器的壓降,Pa;pin表示進(jìn)口截面上平均壓力,Pa;pout表示出口截面上平均壓力,Pa。以上所定義的兩個指標(biāo)的值越小,表示氣體分布器性能愈優(yōu)良。

3.4 模型驗證

在劃分網(wǎng)格時采用對稱面的方法以減小計算量。進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證,對不均勻度和壓降進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)兩者隨著網(wǎng)格數(shù)量增加基本維持不變(誤差小于1%)時確定網(wǎng)格數(shù)量,得到的結(jié)果計算如圖2 所示,故計算所用網(wǎng)格數(shù)為930 000。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Grid independence verification

為驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,建立了文獻(xiàn)[6]及文獻(xiàn)[7]中試驗裝置所用的分布器的物理模型進(jìn)行計算,模型驗證結(jié)果表明,模擬計算得到的不均勻度值與文獻(xiàn)[7]試驗值不均勻度的值的平均絕對偏差為8.9%;在不同的入口速度下,模擬計算得到的分布器的壓降與文獻(xiàn)[7]試驗測量值變化趨勢相同,平均絕對偏差為14.4%。可以認(rèn)為利用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算能夠較好地預(yù)測氣體分布器性能的值及變化趨勢。

4 計算結(jié)果分析

4.1 流場分布規(guī)律

對前述基本模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算,分布器內(nèi)氣體流動及出口軸向速度分布如圖3 所示,在靠近入口側(cè)導(dǎo)流板附近形成了兩個漩渦,這是由于內(nèi)筒壁上靠近導(dǎo)流板的兩個導(dǎo)流孔噴射出的流體速度較高,形成壓強差,且兩股射流之間流域較大導(dǎo)致的。在出口處,氣體主要集中在中間帶狀區(qū)域內(nèi)且遠(yuǎn)離入口側(cè)速度較大,在中間帶狀區(qū)域兩側(cè)存在較大回流區(qū)影響氣體分布效果。

圖3 分布器速度分布特征Fig.3 Velocity distribution characteristics of distributor

將分布器的總壓降Δptot分為4 個部分(如圖4 所示):分布器主體結(jié)構(gòu)壓降Δp1(即經(jīng)過環(huán)形通道的壓降),分布器中間通道壓降Δp2,分布器下端壓降及Δp3及分布器上端壓降Δp4。計算結(jié)果如表1 所示。分布器的壓降主要集中在環(huán)形通道內(nèi)以及分布器主體的中間通道內(nèi),分別占比30.21%和68.69%,根據(jù)環(huán)形通道內(nèi)氣體壓力分布圖(圖4)可知,環(huán)形通道內(nèi)的壓降主要由于氣體運動劇烈且流動過程中與擋板及環(huán)形通道壁面碰撞,造成較大的壓降,分布器中間流道的壓降主要由于氣體從內(nèi)筒開孔以射流的形式流出速度較大,從流體的跡線圖及環(huán)形通道內(nèi)氣體流動壓力分布圖可以看出,兩側(cè)對稱的孔噴射流出的氣體會碰撞交匯,速度大幅減小,并形成兩個較大渦流,造成壓降較大。在這兩處的壓降中,前者可通過改變分布器結(jié)構(gòu)例如增加環(huán)形通道寬度等增加氣體流動區(qū)域達(dá)到減小壓降的目的,后者主要通過降低射流速度來降低壓降,可采用的措施有增大開孔大小,在上/下環(huán)板上開孔等。對壓降的分析為后續(xù)分布器的優(yōu)化提供了方向。

表1 分布器各部分壓降及占比Table 1 Pressure drop and proportion of each part of distributor

圖4 分布器內(nèi)壓力分布特征Fig.4 Pressure distribution characteristics in the distributor

利用基本模型計算得到的總壓降與不均勻度分別為1 381.90 Pa 與1.869 4。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

根據(jù)上述對分布器的分析可知,原有的結(jié)構(gòu)氣體的分布效果并不是特別理想,主要體現(xiàn)在兩個方面:分布器壓降較大以及在分布器內(nèi)部形成渦流,導(dǎo)致出口截面有較大的回流區(qū),氣體分布均勻性較差。針對這兩點不足,在原有的分布器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整及優(yōu)化,對下列參數(shù)進(jìn)行研究:分布器進(jìn)氣結(jié)構(gòu),分布器內(nèi)筒上的開孔大小,上/下環(huán)板開孔大小,分布器環(huán)形通道的寬度,分布器內(nèi)筒上開孔位置分布以及填料層等對分布器性能的影響。采用控制變量法進(jìn)行研究,在研究某種因素的影響時保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

4.2.1 進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對分布器性能影響

改變分布器進(jìn)氣結(jié)構(gòu)可以改變?nèi)肟诿嫔系乃俣确植?進(jìn)而對流場及壓力分布產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計了區(qū)別于直管進(jìn)氣的3 中不同的進(jìn)氣結(jié)構(gòu),如圖5所示。4 種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下分布器計算得到的壓降及不均勻度如表所示,根據(jù)計算結(jié)果(表2)可知,采用型號Ⅰ及型號Ⅱ(彎管)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對壓降及不均勻度影響較小,其壓降變化范圍約2.8%,不均勻度變化范圍約1.3%,采用Ⅲ型號管(擴張管)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)時,分布器壓降降低了約11.5%,但不均勻度增加了約3.0%。

表2 不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下分布器性能Table 2 Distributor performance under different intake structures

圖5 不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of different intake structures

4.2.2 開孔大小對分布器性能影響

在研究分布器性能隨開孔大小變化規(guī)律時,通過改變開孔的寬度K來改變開口大小,為了方便比較不同內(nèi)筒直徑的情況,首先定義一個結(jié)構(gòu)參數(shù)—開孔對比率?,其定義式如下:

式中:K為開孔的寬度,mm;d為內(nèi)筒直徑,mm;?=100%時為基本模型對應(yīng)的尺寸。

分布器性能隨開孔對比率的變化規(guī)律如圖6 所示,氣體在環(huán)形通道中運動時可噴射出的面積增加,有利于減小氣體從開孔中噴射的速度,有效降低了壓降,當(dāng)開孔對比率由60%增大至200%時,分布器的壓降由2 973.87 Pa 減小至653.64 Pa,減小了接近78%,同時由于氣體速度減小,流動紊亂程度降低,分布器出口截面上不均勻度由2.4 減小至1.4,減小了約42%。

圖6 分布器性能隨開孔對比率的變化規(guī)律Fig.6 Variation of distributor performance with opening ratio

4.2.3 上/下環(huán)板開孔對分布器性能影響

考慮到流體在分布器環(huán)形通道運動時由于速度較大,壓降較大,為了減小氣體在空中的射流速度,減小壓降,在上環(huán)板或下環(huán)板上開孔分流一部分氣體。以現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)為參考,設(shè)置不同的開孔大小,開孔個數(shù)為14 個,上/下環(huán)板開孔位置(角度)與內(nèi)筒上開孔位置對應(yīng)(如圖7 所示)。

圖7 分布器上/下開孔位置示意圖Fig.7 Diagram of opening position of upper/lower ring plate of distributor

在分布器上環(huán)板或下環(huán)板上開孔有利于增大氣體的噴射面積,減小壓降,開孔直徑越大,分布器壓降越小,開孔直徑增加至300 mm 時,兩種開孔方式的壓降都降低了約64%。但在上環(huán)板上開孔并不利于減小分布器的不均勻度,這是由于從上環(huán)板開孔中噴射出的氣體以較高的速度沿著垂直方向到達(dá)出口截面上,并未起到破壞回流區(qū)的作用。相反,從開孔中噴射出的流體氣速較高,進(jìn)一步加劇了氣體分布的不均勻程度。在下環(huán)板上開孔時,由于流體運動空間的擴大,流體流動更加充分,在出口的分布更加均勻,回流區(qū)有所減小,即在出口截面上的不均勻度減小,且分布器不均勻度隨孔徑的變化呈現(xiàn)出先減小再增加的趨勢,即存在一最小值點,不均勻度最小時下環(huán)板開孔直徑為130 mm 左右。

圖8 分布器性能隨上/下環(huán)板開孔的變化規(guī)律Fig.8 Variation of distributor performance with diameter ratio

4.2.4 環(huán)形通道寬度對分布器性能影響

根據(jù)分布器內(nèi)流場分布特征可知環(huán)形通道內(nèi)壓降占比較大,這主要由于氣體在該段運動較為劇烈導(dǎo)致,增加環(huán)形通道的寬度(減小分布器內(nèi)筒直徑)有利于增加氣體的流動區(qū)域,降低氣體運動的平均速度及紊亂程度,進(jìn)而降低壓降。如圖9 所示,隨著分布器環(huán)形通道從515 mm 增加至850 mm 時,壓降降低了約8%,同時,由于減小了分布器中間通道的流通體積,氣體擴散受到限制,因此不均勻度增加,即氣體分布效果變差,不均勻度增加了約8%。

圖9 分布器性能隨環(huán)形通道寬度變化規(guī)律Fig.9 Variation of distributor performance with annular channel width

4.2.5 開孔集中度對分布器性能影響

根據(jù)前面對分布器內(nèi)流場特征的分析可知,靠近導(dǎo)流板附近的開孔中流出氣體的速度較大,形成漩渦及負(fù)壓區(qū),降低了出口氣體分布均勻程度,故改變開孔位置,將開孔位置集中于環(huán)形通道中間部位有利于改善氣體分布效果。

為了說明開孔的位置和集中程度,設(shè)定了開孔間隔角度α和β兩個變量進(jìn)行說明(如圖10 所示),β表示第一個開孔與中軸線的角度,α表示每個開孔之間的角度間隔,由于開孔數(shù)確定且開孔對稱分布,可確定α和β存在以下代數(shù)關(guān)系:

圖10 分布器開孔位置示意圖Fig.10 Diagram of opening position of distributor

不同開孔位置和集中度對應(yīng)的分布器性能計算結(jié)果如表3 及圖11 所示,根據(jù)計算結(jié)果可知,隨著β的增加,α的減小,即開孔位置逐漸向內(nèi)壁面中間部位集中,分布器的的壓力有小幅度下降,不均勻度有大幅度降低。當(dāng)角度β由25°增加至70°,α由26°降低至8°的過程中,壓降由1 407 Pa 降低至1 321 Pa,降低了約6%,不均勻度由1.886 降低至0.963 2,降低了約48.9%。由此可見,在分布器內(nèi)壁面壓力承載范圍內(nèi),開孔位置越集中于中部,分布器性能愈佳。當(dāng)角度β為80.1°時,角度α為0°,此時的開孔之間沒有間隔,即此時用相同面積的大孔來代替原來的6個開孔,保證開孔率不變,此時壓力損失急劇增大,不均勻度有微小增加。

表3 不同開孔分布位置計算結(jié)果Table 3 Results of different opening distribution locations

圖11 分布器性能隨開孔位置變化趨勢圖Fig.11 Variation trend of distributor performance with opening position

4.2.6 填料層對分布器性能影響

在實際的應(yīng)用過程中,流體從分布器出口流出后會進(jìn)入下塔的填料層中,為了更貼近工程實際,在本節(jié)中討論填料層對分布器性能的影響,填料層有關(guān)設(shè)計參數(shù)及計算參數(shù)如表4 所示。在FLUENT 軟件中通過設(shè)置多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行相關(guān)計算,分布器計算模型如圖1 所示,在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一段填料層,填料層的高度為450 mm。

表4 填料結(jié)構(gòu)參數(shù)及計算參數(shù)Table 4 Structural parameters and calculation parameters of packing

計算結(jié)果表明,填料層的存在可以大大降低氣體分布不均勻度,在相同的出口高度(Z=2.012 m)上,不帶填料層時的不均勻度即出口截面上的不均勻度為1.869 8,加上填料以后不均勻度減小至0.083,減小了96%。對于壓降,由于填料層的存在會給氣體在垂直方向上的運動增加一定的阻力,因此壓降從1 381 Pa 增加至1 482 Pa,增加了大約7%。

5 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對精餾塔氣體分布器流動特性進(jìn)行了研究,分析了分布器的進(jìn)氣結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)布局及填料層對其性能的影響,為優(yōu)化分布器的結(jié)構(gòu),預(yù)測分布器的速度場及能量耗散提供依據(jù),進(jìn)而為分布器的優(yōu)化設(shè)計提供更為全面、準(zhǔn)確的理論指導(dǎo),得出如下結(jié)論:

(1)在氣體分布器的出口平面上,氣體主要集中于中間帶狀區(qū)域上,在帶狀區(qū)域兩側(cè)形成兩個對稱回流區(qū),導(dǎo)致分布器的均布性能降低;分布器的壓力損失主要集中在環(huán)形通道以及分布器主體的中間通道內(nèi),分別占比30.21%和68.69%;

(2)彎管進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對分布器性能影響較小,采用擴張管進(jìn)氣可使壓降降低約11.5%;

(3)在分布器強度允許范圍內(nèi)增大開孔大小可有效減小壓降及不均勻度,當(dāng)開孔面積增加一倍時,壓降降低了約50%,不均勻度降低了約40%;上/下環(huán)板開孔可有效減小壓降,下環(huán)板開孔直徑為130 mm時,不均勻度得到最小值;環(huán)形通道寬度增加的過程中,壓降降低了約8%,同時不均勻度增加了約8%;當(dāng)內(nèi)筒上開孔位置向分布器中間集中時有利于提升分布器均布性,不均勻度降低了約48.9%;

(4)氣體分布器與填料段組合結(jié)構(gòu)對于提高氣流均勻性有明顯作用,不均勻度降低了約96%,但壓降增加了大約7%。