基于fluent乙酸變徑精餾塔的數(shù)值模擬

陳林鳳，馮清付，江振飛，王在良，李伯奎

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安223002；

2.淮陰工學院，江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安223003）

0 引言

填料塔具有結構簡單、分離效率高、操作彈性大等優(yōu)點[1]，在石油化工、醫(yī)藥等方面得到廣泛的應用。填料塔的設計計算中，填料床層的壓降是一個重要參數(shù)[2]，是影響填料塔分離效率的重要指標，壓降越小，分離效率越高。由于乙酸變徑精餾塔進料時會帶走部分氣相，因此研究塔內(nèi)壓力場分布情況十分必要，通過研究，為變徑段筒體的設計提供了基礎。

對于塔徑較大的填料塔，為了滿足操作工藝的要求，提高傳質(zhì)效率，降低制造成本，通常會將填料塔設計成上、下塔段直徑不同的結構，通過變徑段筒體來實現(xiàn)直徑不同的塔段的連接，變徑段筒體的結構主要有四種[2]，如圖1所示，即大小端都有折邊（見圖1a）、大小端都無折邊（見圖1b）、大端有折邊（見圖 1c）、小端有折邊（見圖 1d）。

圖1 幾種變徑段筒體結構示意圖

對于變徑段筒體的傾斜角α的取值，GB150[3]給出了非常具體的范圍：對于無折邊的結構，α≤30°；對于大端有折邊，小端無折邊的結構，α≤45°；對于大端、小端都有折邊的結構，α≤60°；對于變徑段筒體高度H的取值按國標選取，本文采用的是無折邊結構。

1 壓力變化幅度

為了便于描述塔內(nèi)某一條直線上壓力的變化情況，引進了壓力變化幅度的概念。壓力變化幅度表示同一直線上任意兩點間壓力的變化量與前一個點的壓力的比值，壓力下降幅度越大，表明壓力波動越大，壓降越大。

式中，p1為前一個點上的壓力（pa）；p2為后一個點上的壓力（pa）；Δp為兩點間壓力的變化量（pa）。

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程為：

動量守恒方程：

其中，τij為應力張量，其表達式為：

2.2 模型的選擇

RNG k-ε湍流模型能夠較好的處理高應變及流線彎曲程度大的流體，對于近壁流、低雷諾數(shù)流以及旋渦流等流體的流動方式的預測較為準確，本文采用RNG k-ε湍流模型。RNG k-ε湍流模型k和ε的運輸方程表達式為：

3 物理模型及網(wǎng)格劃分

3.1 物理模型

本文研究的精餾塔主要產(chǎn)物乙酸從塔底采出，因此，對于填料精餾研究主要集中在提餾段，由于填料的復雜性，對于填料部分采用多孔介質(zhì)代替，利用Solidworks軟件建立填料塔提餾段的三維模型，如圖2所示。

圖2 填料塔提餾段的三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模擬過程必不可少，也是極為重要的步驟，計算區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量對于計算精度和效率有重要的影響[4]。采用ICEM CFD軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，由于填料塔的計算區(qū)域比較規(guī)律，因此對整個計算區(qū)域劃分六面體網(wǎng)格。在進行網(wǎng)格劃分時將計算區(qū)域分為兩部分：一部分為填料部分，這部分采用加密網(wǎng)格技術，使網(wǎng)格按照冪函數(shù)規(guī)律變化，這樣做的目的是將更加細化的研究填料部分兩相流動時流體速度的變化情況[5-6]，其余部分不需要加密。

圖3 填料塔提餾段網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

本文采用速度進口邊界，速度方向與進口截面垂直，選用的流體為空氣并按充分發(fā)展的湍流來處理，在計算模擬時，忽略重力對空氣的影響。湍流定義項選擇Intensity and Hydrualic Diameter，湍流強度可按經(jīng)驗公式得到，計算式為：

式中，ρ為流體密度（kg/m3）；U為流體速度（m/s）；DH為水力直徑（mm）；μ為流體的運動粘度（pa.s）。

出口采用壓力出口邊界類型，由于選用的流體按充分發(fā)展的湍流來處理，故可將出口壓力設置為0。

壁面處采用無滑移邊界條件，并且排除各項作用力的影響。

4 計算模擬結果

4.1 不同傾斜角α下塔內(nèi)流場分布情況

計算過程保持進氣管的進氣量和進氣速度相同并按充分發(fā)展的湍流來處理，氣相到達進口時速度相同，在進口氣相速度相同的情況下，變徑段筒體高度為H=150 mm（保持不變）時，得到不同傾斜角α下填料塔內(nèi)的壓力云圖、填料塔中心線處壓力和速度變化曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 H=150 mm不同傾斜角塔內(nèi)的壓力云圖

圖5 H=150mm塔中心線上壓力和速度變化曲線圖

4.2 不同高度H下塔內(nèi)流場分布情況

計算過程保持進氣管的進氣量和進氣速度相同并按充分發(fā)展的湍流來處理，氣相到達進口時速度相同，在進口氣相速度相同的情況下，變徑段高度由150mm變?yōu)?00mm得到不同傾斜角α下填料塔內(nèi)的壓力云圖以及中心線上壓力變化曲線圖，如圖6、圖7所示。

圖6 H=100mm不同傾斜角塔內(nèi)的壓力云圖

圖7 H=100mm塔中心線上壓力和速度變化曲線圖

4.3 計算結果分析

從圖4和圖6的壓力云圖可以看出，變徑段壓力變化幅度較大，等徑段壓力變化較為均勻；壓力從進口到出口逐漸降低；由于塔徑變小使得流速增大從而使靜壓迅速向動壓轉(zhuǎn)化，所以進口處壓力最大，隨后壓力逐漸變?。蛔儚蕉瓮搀w高度H大的塔，塔內(nèi)受到的壓力較大。

從圖5和圖7塔中心線上壓力和速度變化曲線圖可以看出，變徑段速度變化曲線與壓力變化曲線夾角較大，表明壓力變化幅度較大，是由于速度突變引起的；等徑段速度變化曲線與壓力變化曲線夾角較小，表明壓力變化幅度較小；當變徑段傾斜角度α變大時，速度變化曲線與壓力變化曲線夾角變小，壓力變化幅度變??；當變徑段傾斜角度α相同時，隨著變徑段筒體高度H的降低，速度變化曲線與壓力變化曲線夾角變大，壓力變化幅度變大。

5 結論

乙酸精餾塔進料時會帶走部分氣相，從而導致塔內(nèi)各段氣相存在較大差異，壓降變化大，通過增加變徑段可以彌補乙酸帶走的氣相，有效降低塔內(nèi)壓降的變化。變徑段傾斜角度α和高度H對塔內(nèi)壓力變化幅度有重要影響，傾斜角度α變大時，塔內(nèi)壓力變化幅度變小，表明壓降低，設計時可考慮較大的傾斜角；傾斜角度α相同時，高度H變小，塔內(nèi)壓力變化幅度大，表明壓降高，設計時可考慮較大的高度。本文的研究為精餾塔變徑段的設計提供了基礎。