列管反應(yīng)器改進結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器內(nèi)變質(zhì)量流動的數(shù)值分析

姜 斌，薛尚龍，董佳鑫，郝 麗

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072；3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

丙烯氧化法所用列管式固定床反應(yīng)器的殼程溫度較高，達到400℃以上，工業(yè)上一般使用熔鹽作為熱載體，及時移出管程反應(yīng)放出的熱量。熔鹽進出口通道為環(huán)形通道，環(huán)形分布器是列管式固定床反應(yīng)器的重要構(gòu)件，能夠?qū)崿F(xiàn)熱載體在反應(yīng)器殼程的均勻分布。熔鹽在環(huán)形通道內(nèi)的流動屬于變質(zhì)量的周向流動，通過熔鹽的等量分流實現(xiàn)其在反應(yīng)器殼程進口處的均勻分布［1-3］，這為合理設(shè)計大型環(huán)形分布器帶來了困難。

環(huán)形分布器內(nèi)變質(zhì)量流動規(guī)律比直管式多孔管內(nèi)變質(zhì)量流動復(fù)雜得多。由于技術(shù)保密，環(huán)形分布器的研究工作國外鮮有報道，目前，國內(nèi)僅有少數(shù)科研單位和高校進行了研究［4］。環(huán)形分布器的研究有代表性的為張成芳、陳春生、呂志敏、叢德滋、曹曉麗等［5-8］開展的研究工作。關(guān)于環(huán)形分布器內(nèi)變質(zhì)量流動的研究大多借鑒直管內(nèi)變質(zhì)量的研究方法［9］，并且都是在小尺寸規(guī)模的實驗裝置上進行的，而工業(yè)列管式固定床反應(yīng)器的環(huán)形通道的規(guī)模尺寸比較大，設(shè)計過程中存在工業(yè)放大的問題。

工業(yè)放大要考慮諸多影響因素，在工業(yè)規(guī)模裝置上進行實驗由于受到經(jīng)濟等方面的制約是不現(xiàn)實的。數(shù)值模擬方法，由于其經(jīng)濟、靈活等優(yōu)勢，而且能夠直觀獲得環(huán)形分布器內(nèi)流體的流動狀況，CFD方法成為研究工業(yè)放大規(guī)律很好的手段。

針對環(huán)形流道內(nèi)靜壓分布及流量分布不均勻的問題，越來越多的研究者認為應(yīng)該在反應(yīng)器殼壁采用不均勻開孔，利用穿孔壓降來平衡壓差［10］。百璐等［11］的研究表明需要沿流動方向?qū)㈤_孔直徑逐漸減小，以增大穿孔阻力，從而實現(xiàn)流體均布。但是在實際工業(yè)應(yīng)用中，如何采用不均勻開孔，并沒有明確的指導(dǎo)規(guī)律，因此很有必要進行大量的研究工作。

本研究對工業(yè)規(guī)模的環(huán)形分布器建立模型，采用CFD方法對其內(nèi)部的變質(zhì)量流動過程進行模擬研究。環(huán)形分布器在進口結(jié)構(gòu)設(shè)計及進口處導(dǎo)流擋板的設(shè)置上均有改進，通過考察環(huán)形流道內(nèi)的速度與靜壓分布規(guī)律、分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進口流速對熔鹽均布性能的影響，為大型環(huán)形分布器的設(shè)計提供理論依據(jù)，并且為列管式固定床反應(yīng)器殼程流體傳熱研究提供均勻的進口條件。

1 熔鹽分布器建模與求解參數(shù)設(shè)置

1.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

工業(yè)規(guī)模熔鹽環(huán)形分布器物理模型如圖1所示，物理模型在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對分布器的進口結(jié)構(gòu)進行了改進，由傳統(tǒng)的圓柱型進口改為橢圓擴張型進口，并且在進口處兩側(cè)增設(shè)大小兩塊呈45°的導(dǎo)流擋板，板間距為250mm，擋板上均勻分布Φ20的小孔，擋板開孔情況見圖1b）。環(huán)形分布器的開孔方式采用不均勻開孔，內(nèi)側(cè)壁均勻分布36個等寬、等間距但不等高的長條形孔，孔的高度沿熔鹽流向從高至低順序排列，并按照圖1a）所示將這36個分布孔進行編號，分別為1～36，條形孔的寬度均為30mm，并呈兩邊對稱形式分布，條形孔高度的參數(shù)值見表1。環(huán)形通道的內(nèi)徑Φ3 936mm，外徑Φ4 932mm。對于變質(zhì)量分流流動，熔鹽流體從進口進入環(huán)形通道，沿圓周流動，從環(huán)形通道內(nèi)側(cè)壁開孔處流入殼程。

表1 條形孔出口的高度參數(shù)值Table 1 The height values of the strip hole ou tlets

利用Gambit 2.3.16軟件對物理模型進行網(wǎng)格劃分，分布孔區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為5，進口及主流道區(qū)域選用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為20，熔鹽環(huán)形分布器的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。對3種不同的網(wǎng)格尺寸進行了網(wǎng)格獨立性考察，表2列出了不同網(wǎng)格劃分方式時Z=0截面的面平均靜壓和平均速度，當網(wǎng)格數(shù)目達到215萬時，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)目，Z=0截面的面平均靜壓和速度都基本保持不變，認為此時已實現(xiàn)網(wǎng)格獨立。因此，綜合考慮計算精度和計算量，選擇網(wǎng)格數(shù)目為215萬的劃分方法，網(wǎng)格最小體積為2.48×10-9m3，最大體積為4.48×10-6m3。

圖1 改進的工業(yè)規(guī)模環(huán)形分布器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of industrial scale circular distributor with improved structure

圖2 環(huán)形分布器局部網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid generation of the circular distributor

1.2 邊界條件與數(shù)值分析方法

熔鹽流體進口流速為4.85 m·s-1，流體以湍流形式流動。環(huán)形分布器的進口采用速度入口邊界條件，入口橢圓形的當量直徑為434.24mm。出口即條形分布孔分別設(shè)定為壓力出口。固體壁面為靜止無滑移、無滲透的絕熱邊界。模擬過程采用非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式求解，SSTκ-ω湍流模型，SIMPLE算法。模擬的流體為熔鹽，熔鹽的物性參數(shù)在表3中列出，操作壓力為0.2 MPa，操作溫度為617 K。以標準化殘差和進出口物料是否平衡來判斷收斂，連續(xù)性方程和動量方程收斂的殘差標準為10-4。

表2 不同網(wǎng)格劃分方式的Z=0截面的平均靜壓和平均速度Table 2 Average static pressure and velocity in the section Z=0 at different grid number

表3 熔鹽的熱力學(xué)及物性參數(shù)Table 3 Thermodynamic and physical properties of molten salt

1.3 湍流模型的選擇

環(huán)形分布器內(nèi)的流體處于湍流狀態(tài)，湍流模型的選擇直接影響模擬結(jié)果的準確性。本節(jié)選擇與文獻［4］中的實驗裝置相同尺寸的物理模型驗證文中所選SSTκ-ω湍流模型的正確性。將模擬計算結(jié)果與文獻［4］報道的實驗結(jié)果進行對比，圖3為模擬得到的靜壓分布與實驗值的對比。

圖3 環(huán)形分布器內(nèi)的靜壓分布與文獻［4］對比Fig.3 Static pressure distribution compared with that from the literature［4］ in circular distribution

由圖3可以看出SSTκ-ω模型靜壓分布與實驗值吻合較好，在進口附近和遠離進口處，均能對靜壓進行準確預(yù)測。且采用SSTκ-ω得到的動量交換系數(shù)為 0.74，與實驗中的 0.65～0.72非常接近。

2 熔鹽分布器數(shù)學(xué)模型的建立

本研究考察熔鹽流體在環(huán)形分布器內(nèi)的流動狀況，熔鹽流體可視為不可壓縮的牛頓型流體，流體流動的狀況視為恒溫條件下的穩(wěn)態(tài)流動，所涉及的控制方程為連續(xù)性方程和動量守恒方程。

對于等溫條件下不可壓縮牛頓型流體的穩(wěn)態(tài)流動，其連續(xù)性方程為：

動量守恒方程：

3 熔鹽分布器數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 分布器內(nèi)速度和靜壓分布狀況

圖4給出了環(huán)形分布器Z=0截面上的速度分布云圖。

圖4 環(huán)形分布器Z=0截面的速度分布云圖Fig.4 Contours distribution of velocity at section Z=0 in circular distributor

由圖4可以看出，分布器進口結(jié)構(gòu)的改進使流體順暢的流入環(huán)形通道，兩側(cè)擋板的設(shè)置有效避免了流體垂直沖刷進入通道，起到導(dǎo)流作用，使流體較均勻的分成3股流入，有效減少了循環(huán)流。隨著流體在分布器內(nèi)不斷分流，主流道的流速逐漸降低。

圖5顯示Z=0截面的靜壓分布云圖。

分流流體在進口導(dǎo)流擋板前端出現(xiàn)高壓點，入口處流體撞擊在通道內(nèi)壁上，動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，形成高壓區(qū)，造成入口靜壓分布最不均勻。隨著流體不斷分流，主流道內(nèi)的靜壓逐漸增大。環(huán)形分布器采用不均勻開孔方式，距離進口越遠，出口尺寸越小，降低開孔率提高穿孔壓降，使主流道靜壓分布除進口區(qū)域外整體比較均勻。

圖5 環(huán)形分布器Z=0截面的靜壓分布云圖Fig.5 Contours distribution of static pressure in circular distributor

圖6是環(huán)形分布器各分布孔速度與流體體積流率沿周向的分布。距離進口的第4個分布孔的體積流率最小，變化幅度較大，這是由于受到進口附近壓力波動的影響，此處流道的靜壓最低，隨后幾個分布孔的的體積流率逐漸增大。從第13個分布孔開始，流體體積流率呈下降趨勢。速度分布除在進口擋板位置處最小外，其他分布孔的速度分布比較均勻。

圖6 環(huán)形分布器各分布孔的速度與體積流率分布Fig.6 Distribution of velocity and volume flow rate of distributing hole in circular distributor

3.2 新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對比

以上為改進結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器的模擬結(jié)果，在其他條件和參數(shù)不變的情況下，將傳統(tǒng)型式環(huán)形分布器與改進型式進行對比，傳統(tǒng)型式分布器采用圓柱型進口，進口處未設(shè)置擋板，均勻開孔方式。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布器進口直徑434.24mm，相當于橢圓形進口的當量直徑，分布孔為長條形出口，條形孔的寬度均為30mm，高度為283mm，保證新型與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)主流道與分布孔截面面積比一致。

圖7為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器內(nèi)Z=0截面的速度分布云圖，采用圓柱型進口，流體直接沖入環(huán)形通道，正對進口處出現(xiàn)高速流動區(qū)，流體波動較大，循環(huán)流較多，不利于進口流體的均勻分布。

圖7 圓柱型進口環(huán)形分布器Z=0截面的速度分布云圖Fig.7 Contours distribution of velocity at section Z=0 for cylinder inlet circular distributor

圖8為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器內(nèi)Z=0截面的靜壓分布云圖，進口處靜壓分布不均勻，流體進入環(huán)形通道后，在正對進口的近壁處形成半圓狀高壓區(qū)，兩側(cè)形成一段低壓區(qū)。

圖8 圓柱型進口環(huán)形分布器Z=0截面的壓力分布云圖Fig.8 Contours distribution of static pressure in cylinder inlet circular distributor

3.3 環(huán)形分布器分布孔數(shù)量對熔鹽均布性能的影響

考察分布孔數(shù)量對熔鹽流體在環(huán)形分布器內(nèi)均布性能的影響，選擇分布孔數(shù)量 18、24、36、48、60，分布孔高度呈兩側(cè)對稱，對于不均勻開孔方式的分布孔數(shù)量的改變要同時考慮開孔率和分布孔與主流道截面面積比對均布性能的影響。采用分布器內(nèi)各分布孔體積流率的標準差為目標考察均布效果。

圖9為不同開孔數(shù)量時體積流率的標準差，隨著出口數(shù)量的增加，體積流率的標準差呈增長趨勢，說明分布孔數(shù)量越多，各分布孔的體積流率偏離平均值的波動越大。改變出口數(shù)目相當于改變開孔率，開孔率隨分布孔數(shù)量的增加而增大，影響流體局部性能。分布孔數(shù)量增多，即開孔率增大，孔流速減小，從而使穿孔壓降變小，導(dǎo)致均布性能變差。而主流道與分布孔的截面面積比也影響流體均布，在分布孔數(shù)量為 18、24、36、48和 60時，相應(yīng)的主流道與分布孔的截面面積比為5.18、3.96、2.82、2.27 和 1.95。

圖9 不同開孔數(shù)量時分布孔體積流率的標準差Fig.9 The standard deviation of volume flow rate of distributing holes for different outlet number

從圖9中可以看出，截面面積比較小，環(huán)形分布器的均布性能變差。當分布孔數(shù)量為24時，標準差較小，可以滿足流體均布的要求。分布孔達到36之后，標準差變化幅度較小，說明再增加分布孔數(shù)量對流體均布性能的影響不顯著。

將各分布孔截面的速度不均勻度定義為各截面速度的標準差與速度平均值的百分比，用于比較各分布孔速度的離散程度。圖10為開孔個數(shù)對各分布孔截面不均勻度的影響，隨著分布孔數(shù)目增多，各出口截面的不均勻度整體上升，分布孔為24時，速度不均勻度較小。分布孔達到36之后，3條曲線比較相近，即不均勻度相差較小，進一步說明了當孔數(shù)到達36之后，分布器內(nèi)的分布狀況變化較小。

綜合以上分析，選擇24個分布孔能夠較好的滿足流體均布的要求，而分布孔數(shù)達到36之后，流體均布情況穩(wěn)定。

3.4 熔鹽進口流量對均布性能的影響

對比高流速 6.35、4.85、3.35 和 1.85 m·s-1及低流速0.03 m·s-1這5種進口流速下的流體均布性能，這5種流速下的熔鹽流體的進口雷諾數(shù)分別為2 072 040、1 582 581、1 093 123、603 665 和 9 789。

圖11和12分別給出了進口流速對各分布孔速度不均勻度的影響及體積流率的影響，流速在1.85～6.35 m·s-1的范圍內(nèi)，各分布孔的速度不均勻度隨著流速的降低略有下降，但變化不顯著，但當流速較小為0.03 m·s-1時，速度不均勻度較高流速顯著降低，進口處尤為明顯，而在14～23號出口位置，與高流速的不均勻度相當。且流速較低時，各分布孔流出的流體體積流率較低，波動較小，分布更均勻。這是因為進口流速降低，湍動程度降低，減少了進口區(qū)能量損失。

圖10 開孔數(shù)量對各出口截面速度不均勻度的影響Fig.10 The effect of distribution holes number on outlet velocity non-uniformity

圖11 進口流速對各分布孔速度不均勻度的影響Fig.11 The effect of inlet velocity on extent of non-uniformity

圖12 進口流速對各分布孔體積流率的影響Fig.12 The effect of inlet velocity on distributing hole volume flow rate

圖13給出不同進口流速時分布器內(nèi)體積流率的標準差，隨著流速的增加，體積流率的標準差增大，標準差隨流速的變化呈線性關(guān)系，對環(huán)形分布器內(nèi)流體速度的選擇具有指導(dǎo)意義。綜上所述，減小進口流速有利于流體均布。

圖13 不同進口流速時環(huán)形通道內(nèi)分布孔體積流率標準差的線性關(guān)系Fig.13 Standard deviation of volume flow rate of d istributing holes for different inlet velocity

4 結(jié)論

采用CFD模擬方法對工業(yè)規(guī)模的熔鹽流體環(huán)形分布器內(nèi)的變質(zhì)量流動過程進行研究，通過分析環(huán)形通道內(nèi)的流動狀況，并考察環(huán)形分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)及進口流速參數(shù)對熔鹽流體均布性能的影響，得出以下結(jié)論。

1）采用改進結(jié)構(gòu)的環(huán)形分布器進行模擬，即橢圓形進口結(jié)構(gòu)及進口兩側(cè)分別設(shè)置兩塊呈45°的導(dǎo)流擋板，并且采用不均勻開孔的調(diào)節(jié)方式，沿流動方向開孔尺寸逐漸減小。模擬結(jié)果表明進口附近流道內(nèi)的波動較小，流股均勻，進口高速區(qū)得到了分散，流道內(nèi)靜壓分布均勻，有利于流體的均布。隨著流體不斷分流，流道內(nèi)流速逐漸減小，靜壓逐漸增大，不均勻開孔使得分布孔內(nèi)分流流體的體積流率波動較小。在進口設(shè)置導(dǎo)流擋板，對改善流型、削弱靜壓分布的波動有利。

2）環(huán)形分布器的幾何結(jié)構(gòu)影響流體均布性能，通過對進口及分布孔結(jié)構(gòu)進行考察對比，得出減少分布孔數(shù)量使得開孔率降低，穿孔壓降增大，主流道與分布孔截面面積比增大，有利于流體均布，但同時也使得壓降增加。優(yōu)選24個分布孔能夠滿足流體均布的要求，且分布孔達到36，流體均布情況基本穩(wěn)定。

3）通過考察進口流速對熔鹽均布性能的影響，發(fā)現(xiàn)減小進口熔鹽流速，進口區(qū)域速度及靜壓波動較小，減小了進口能量損耗，有利于流體均布。

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