六溢流塔板氣液流場模擬

劉萌萌

(天津美加恒升科技發(fā)展有限公司，天津 300380)

塔器作為分離設備，是化工、煉油等生產(chǎn)中最重要的設備之一，分為板式塔和填料塔。板式塔有多種溢流形式。在實際大規(guī)?；ぱb置中，多溢流塔板因可以承受較大的液相負荷而得到廣泛應用，其中雙溢流塔板應用最為廣泛。雙溢流塔板完全對稱，氣液分配均勻，但是處理量相對較小，因此很多大型裝置中采用三溢流或四溢流塔板，對于液量特別大的塔器，需采用六溢流結(jié)構(gòu)。六溢流塔板可以縮短塔板流道長度，有效減小塔板上的液面落差，從而使塔板操作更加穩(wěn)定。但因六溢流塔板結(jié)構(gòu)復雜，較難實現(xiàn)氣液兩相在塔板上的均勻分配，如果設計不合理，將導致塔板傳質(zhì)效率降低。張寶樹等[1]對比了等鼓泡面積法和等通道長度法在六溢流塔板設計中的氣液分配情況，認為等通道長度法與等鼓泡面積法相比更易實現(xiàn)氣液分配一致，且加工和安裝比較容易；孫蘭義等[2,3]通過對比三溢流和四溢流塔板的不同設計方法的氣液分配，也認為等通道長度法優(yōu)于等鼓泡面積法。

塔板上流體的流動狀況對塔板效率有著直接的影響，尤其是塔板上液體的返流、滯留都會顯著降低塔板的分離效率，因此掌握塔板上流體的分布情況對塔板設計有著重要的指導意義。但塔板上氣液流動狀態(tài)復雜，目前的實驗監(jiān)測手段很難開展較深入的研究，利用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)模擬成為一種行之有效且省時省力的研究方法。近年來，針對篩板、浮閥、垂直篩板等結(jié)構(gòu)的流體力學研究非常多，但大都專注于傳質(zhì)元件本身性能，多溢流的模擬并不多見，趙丹[4]采用二維模型模擬了四溢流塔板在不同工況下氣液流動及對應的傳質(zhì)效率，但并未給出三維模擬結(jié)果。六溢流塔板塔徑較大且結(jié)構(gòu)復雜，對計算機硬件要求較高，計算時間過長，故鮮有用CFD方法模擬六溢流塔板氣液流場的報道。作者以丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔為研究對象，采用商業(yè)軟件ICEM建立了六溢流塔板的三維模型，并采用CFX 14.5模擬了塔內(nèi)的氣液相分布情況，對塔板的設計具有指導意義。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學模型

常采用的兩相流模型包括歐拉雙流體模型、顆粒軌道模型等，不同模型有著不同的適用體系。當分散相體積分率相對較高且連續(xù)地分布于主相中時，歐拉雙流體模型比較適用。精餾塔塔板上氣相雖為分散相，但其體積分率較高，塔板上方鼓泡區(qū)的混合物氣液相貫穿，因此作者采用能更好描述塔板上流動狀態(tài)的歐拉雙流體模型進行模擬，模型基本方程如下：

氣相連續(xù)性方程：

(1)

液相連續(xù)性方程：

(2)

氣相動量守恒方程：

?·(αGρGvGvG)=-αG?pG+?·(αGμeff,G(?vG+(?vG)T))-MLG

(3)

液相動量守恒方程：

?·(αLρLvLvL)=-αL?pL+?·(αLμeff,L(?vL+(?vL)T))-MLG

(4)

相體積分率方程：

αG+αL=1

(5)

壓力限制方程：

PG=PL=P

(6)

上式中αG和αL分別表示氣相體積分率和液相體積分率，SLG代表氣液兩相間質(zhì)量傳遞源項，ρG和ρL分別為氣相和液相的密度，vG和vL分別為氣相和液相的速度，μeff,G和μeff,L分別為氣相和液相的有效黏度，PG和PL分別為氣相和液相的壓力。MLG是兩相間動量傳遞源項，它直接反映了氣液兩相相間相互作用的動量傳遞情況。塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)，多認為是氣體以氣泡群形式穿過塔板上的液層，兩相間的動量傳遞主要通過兩相間的相互作用力來完成，兩相間作用力主要有曳力、升力和虛擬質(zhì)量力[5]等，其中由于升力和虛擬質(zhì)量力對塔板模擬結(jié)果影響不大，模擬中通常被忽略，曳力系數(shù)CD常采用Fischer 和Quarini[6]提出的常數(shù)0.44。

塔板模擬常用的湍流模型有標準k-ε模型、Wilcox k-ω 模型、Shear Stress Transport (SST)模型，經(jīng)過以往模擬與實驗的對比，本模擬中湍流模型選用精度較高的SST模型來封閉求解氣液兩相的方程。流體力學方程以及傳質(zhì)方程離散時，采用高階離散格式，湍流方程采用一階迎風格式，并采用時間推進的全隱式多方程耦合求解線性方程組。目標均方根殘差為1.0×10-4。

1.2 幾何建模

以國內(nèi)某大型丙烷脫氫裝置產(chǎn)品分離塔為對象建立模型，塔徑為9 200 mm，塔板間距485 mm，采用本公司自有軟件對該塔進行設計，塔板上布置梯形固閥，建立模型如圖1。模型主要模擬中間一層塔板的流體流動情況，包括兩個邊降液管和兩個偏心降液管，降液管按常規(guī)設計進行建模，塔板上僅布置固閥，未考慮特殊結(jié)構(gòu)。

圖1 六溢流塔板三維建模

因模型較大，考慮到計算機硬件及模擬時間的限制，只針對1/4塔進行模擬，如圖2所示。

圖2 物理模型及邊界條件

分區(qū)域?qū)δＰ瓦M行網(wǎng)格劃分，因塔板上方閥孔位置為主要傳質(zhì)區(qū)，因此對塔板附近的網(wǎng)格進行加密劃分，如圖3所示，總網(wǎng)格數(shù)568萬。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

如圖2所示物理模型及邊界條件，上層降液管作為液相入口，設置為質(zhì)量入口；氣相入口為下層塔板開孔區(qū)，設置為速度入口。入口的操作條件按閥孔氣速進行輸入，假定入口處速度分布均勻，且垂直于入口平面。頂部對應塔板區(qū)域為氣相出口，底部下層降液管出口為液相出口，出口均設置為壓力出口，假設流動已充分發(fā)展，氣相出口壓力為 0 kPa(表壓)，液相出口壓力為 150 Pa(表壓)。塔壁、塔板及固閥壁面采用無滑移壁面條件，近壁區(qū)處理方法選用SST模型默認的Automatic近壁處理方法。液相出口以上填充一定高度液柱作為初始條件，起到液封作用，以縮短收斂時間，塔內(nèi)其他區(qū)域均為全氣相，模型主要參數(shù)見表1。

表1 模型主要參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 六溢流塔盤濃度場分布

圖4和圖5分別為豎直和水平截面上液相體積分率分布云圖。從水平截面云圖可以看出，在邊降液一側(cè)，由于弓形區(qū)較長，液層堆積嚴重，相對較厚，因此導致圖4所示的該區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的漏液現(xiàn)象。隨著塔器直徑越來越大，塔內(nèi)件設計中的放大效應主要體現(xiàn)在氣液相分布均勻性方面，通過流體力學計算可以較直觀地發(fā)現(xiàn)其中的問題。對于以上問題，在設計中需采用輔堰及柵欄堰對該處降液管進行特殊設計，以實現(xiàn)液相在塔板上的均勻分布，減少液相滯留區(qū)的存在，進而更好地發(fā)揮固閥的傳質(zhì)效率。輔堰在多溢流塔板設計中較為常見，多用于邊降液管，在六溢流塔板中，由于塔徑較大，除邊降液管外，三降液的偏心降液管也需要考慮輔堰。柵欄堰利用凸起的柵欄阻擋部分液相通道，縮短了出口堰的實際有效堰長，多用于中心降液管或偏心降液管靠近塔中間的部分，可解決降液管不同位置溢流強度不一致的問題。除弓形區(qū)存在液相滯留問題外，可以看出塔盤上液相體積分離分布比較均勻，證明我們所采用的計算方法可以使六溢流塔板各鼓泡區(qū)上氣液相分布趨于平均。

圖4 豎直截面上液相體積分率分布云圖

圖5 水平截面上液相體積分率分布云圖

2.2 六溢流塔盤速度場分布

圖6為氣相速度矢量圖，可以看出氣相在塔板上分布比較均勻，閥孔氣速與計算值接近，約1 m·s-1。由于降液管傾斜段下方已排有閥孔，加之傾斜段的導流，該區(qū)域氣相流動到上層塔板后會在相應位置出現(xiàn)氣相集中區(qū)(最高氣速1.5～2 m·s-1)，因此該區(qū)域液層會相對較薄。工程設計時，降液管下方需采用專用鼓泡內(nèi)件以實現(xiàn)對氣相的導流并減小液體沖擊漏液。

圖6 豎直截面上氣相速度分布矢量圖

2.3 壓力分布云圖

圖7為塔內(nèi)豎直截面上壓力分布云圖，可以看出，模擬所得該層塔板壓降約280～320 Pa。工程設計中，塔板壓降分為干板壓降和液層阻力兩部分，計算模擬壓降較低的原因可能是弓形區(qū)及第一排閥漏液導致模擬液層比計算值稍低，因此液層阻力也比計算值小一些。

圖7 豎直截面上壓力分布云圖

3 結(jié)論

作者以實際項目中的大型板式塔為對象進行建模，模擬了六溢流塔板上的氣液分布狀態(tài)，可以直觀地看到弓形區(qū)液相的滯留以及氣相集中區(qū)的存在。針對大型板式塔六溢流流場的模擬結(jié)果，對塔板的設計進行了優(yōu)化：(1)弓形區(qū)塔板進行導流排布且降液管設計輔堰和柵欄堰結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)液相的平均分配并減小弓形區(qū)出現(xiàn)液相滯留區(qū)的可能；(2)降液管下方需采用專用鼓泡內(nèi)件以實現(xiàn)對氣相的導流并減小沖擊漏液。該塔目前已順利開車且運行狀態(tài)良好。由此可見，在進行大型塔器塔內(nèi)件的設計時，采用CFD模擬作為輔助工具，通過直觀的流場數(shù)據(jù)分析塔板設計的合理性，使塔板的大型化設計更加高效和準確。