隔板塔氣相分配器的CFD模擬研究

王宗浩，陸金仁，王二強(qiáng)，安維中

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

隨著節(jié)能減排及綠色化工等政策的逐步推動(dòng)，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型化工生產(chǎn)的觀念深入人心，化工行業(yè)作為能源密集型產(chǎn)業(yè)，特別是精餾工段，其能源消耗是巨大的。因此開展化工過程節(jié)能強(qiáng)化，減少資源能源浪費(fèi)是迫切需要解決的。隔板精餾技術(shù)由于其出色的節(jié)能潛力引起了廣大科研工作者和企業(yè)的關(guān)注[1-4]。所謂隔板塔：就是塔體內(nèi)部加有垂直隔板，把塔體分為上中下三部分，相較于傳統(tǒng)雙塔序列可以減少一個(gè)冷凝器和再沸器，相較于普通Petlyuk耦合塔可以節(jié)約占地面積。因而具有節(jié)約操作費(fèi)用和建設(shè)成本的潛力。

但是隔板塔內(nèi)部耦合嚴(yán)重，同時(shí)中間隔板又增添了分液比、分氣比兩個(gè)新變量。使得計(jì)算機(jī)模擬以及實(shí)驗(yàn)探究都變得十分困難。從水力學(xué)角度看，隔板塔的關(guān)鍵難題就是塔內(nèi)部添加隔板帶來(lái)分氣比的分配、維穩(wěn)、控制等問題。該問題實(shí)質(zhì)上是要確保隔板兩側(cè)壓降在最優(yōu)分氣比下達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定的平衡。文獻(xiàn)上針對(duì)分氣比的調(diào)整手段，有采用閥門[5-6]、液位高度[7]等等。通過液位高度來(lái)調(diào)整分氣比，具有簡(jiǎn)單方便高效便捷的特點(diǎn)，但文獻(xiàn)中對(duì)其水力學(xué)行為研究較少。

本文采用CFD模擬的手段，研究了隔板塔內(nèi)分氣比控制核心內(nèi)件的調(diào)壓能力。通過模擬確定較優(yōu)的幾何構(gòu)型以及進(jìn)口氣速和液位高度對(duì)壓降的影響關(guān)系，為隔板塔的工業(yè)推廣和分氣比維穩(wěn)控制提供理論支持和價(jià)值參考。

1 CFD模型建立及必要性

氣相分配器具有操作彈性大，靈活性強(qiáng)，易于控制等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于氣相具有一定的 均布作用。本構(gòu)型采用文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)構(gòu)思[8]，通過調(diào)節(jié)液位高度來(lái)控制升氣管外管側(cè)壁開孔面積的大小來(lái)控制氣相通過截面積，進(jìn)而控制隔板兩側(cè)的壓降最終達(dá)到控制分氣比的目的。該控制方法構(gòu)思新穎，控制簡(jiǎn)便，可控性強(qiáng)，但是文中并未給出液位高度與壓降的關(guān)系，僅僅通過實(shí)驗(yàn)探究得到了可以通過控制液位高度來(lái)控制分氣比的結(jié)論。對(duì)于自身幾何構(gòu)型的優(yōu)化，進(jìn)口氣速以及液位高度對(duì)壓降的影響關(guān)系卻并未給出。特別是幾何構(gòu)型對(duì)于壓降的影響，若通過實(shí)驗(yàn)探究的方式將十分的耗時(shí)、耗力和浪費(fèi)金錢。同時(shí)其它文獻(xiàn)中有過類似幾何構(gòu)型的液相收集器和液相分配器的CFD模擬研究，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究吻合度極高，所以為通過CFD模擬研究水力學(xué)流動(dòng)狀態(tài)提供了可靠支撐[9-12]。

為了保證后期實(shí)驗(yàn)探究時(shí)幾何構(gòu)型是較為合理的，所以首先進(jìn)行幾何構(gòu)型的優(yōu)化。之后進(jìn)行可控變量的理論探究。由于該氣相分配器是氣液分路流動(dòng)，兩相接觸面積極小對(duì)于探究點(diǎn)而言可以忽略，所以為了簡(jiǎn)化模擬以及減小計(jì)算模擬難度，本次模擬采用單氣相模擬，對(duì)于液位高度的調(diào)節(jié)則可以通過升氣管外管開孔的幾何填補(bǔ)來(lái)進(jìn)行近似處理。該近似處理對(duì)于實(shí)驗(yàn)探究的準(zhǔn)確度是沒有任何影響的。

本次幾何構(gòu)型的創(chuàng)立以及網(wǎng)格的劃分選用ICEM CFD 17.0進(jìn)行處理，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及關(guān)鍵壁面加密處理的網(wǎng)格劃分思路，如圖1和圖2所示，圖一可知局部加密尺寸是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全局尺寸的，使得網(wǎng)格具有良好的精度。圖二即為分配器局部加密尺寸的放大圖。全局最大網(wǎng)格尺寸為20，關(guān)鍵壁面處最大網(wǎng)格尺寸為6，邊界層劃分5層，第一層厚度為0.022mm ，對(duì)于模型的求解計(jì)算選用fluent17.0。查閱同類型模擬計(jì)算的設(shè)定選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，速度入口以及壓力出口(pressure-out)作為邊界條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬。對(duì)于控制求解選用SIMPLE方法。其余設(shè)置保持默認(rèn)即可[13-15]。

圖1 整體構(gòu)型的網(wǎng)格Fig.1 Overall configuration of the grid

圖2 局部網(wǎng)格加密Fig.2 Local mesh encryption

2 結(jié)果分析

2.1 幾何構(gòu)型優(yōu)化

對(duì)于流體流動(dòng)而言，任何一個(gè)幾何構(gòu)型都會(huì)帶有本身固有壓降。但是作為隔板塔的塔內(nèi)件，如果用于真空填料塔，那么就需要壓降盡量的減小防止破壞真空操作條件。同時(shí)氣相分配器作為一個(gè)額外添加的塔內(nèi)件，需要盡量弱化其自身對(duì)塔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響。通過圖3與圖4相比較，升氣管外管為圓形弧頂?shù)膲航狄∮谄巾?。即為弧頂?shù)臍庀噢D(zhuǎn)向壓降要小于平頂?shù)臉?gòu)型。其次通過不同的升氣管外管開孔數(shù)目以及開孔寬度的模擬比較可知，升氣管外管的開孔寬度應(yīng)趨于偏小，開孔數(shù)目不需要太多，超過一定數(shù)量之后將不會(huì)弱化分配器固有壓降。通過圖4與圖5比較可知，升氣管整體高度的增加有助于提高分配器的調(diào)壓范圍，對(duì)于具體物系及操作條件可以設(shè)計(jì)專一的升氣管高度。對(duì)本構(gòu)型而言，升氣管外管開孔數(shù)目為36，開孔寬度為3mm，此時(shí)的壓降變化具有實(shí)用價(jià)值。對(duì)于底板的開孔應(yīng)該盡量的趨于偏大且均勻分布，以減少底板的壓力損失。因此對(duì)氣相流動(dòng)和操作可行性以及控制靈敏度等問題綜合考慮之后，決定選用窄開孔的高升氣管管型如圖5所示。該管型壓降比較低，同時(shí)外管的高直窄開孔對(duì)于液位的靈敏度比較高，控制可行性強(qiáng)。相較于窄槽式(圖3)，其壓降可能會(huì)稍微偏大，但是用于液相流量不大的填料塔會(huì)更加適合，且均布升氣管會(huì)更加有助于氣相均勻分布，滿足填料對(duì)于氣相均布的要求。

圖3 窄槽型氣相分配器Fig.3 Narrow slot type gas distributor

圖4 升氣管型氣相分配器Fig.4 Gas pipe type gas distributor

圖5 升氣管型氣相分配器Fig.5 Gas pipe type gas distributor

2.2 進(jìn)口氣速與壓降的關(guān)系

對(duì)于該升氣管構(gòu)型的分配器而言，壓力降主要分為四部分：即為氣相主體流經(jīng)底板時(shí)產(chǎn)生的收縮壓降△P1；流經(jīng)內(nèi)升氣管產(chǎn)生的摩擦壓降△P2；在升氣管頂部發(fā)生氣流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向壓降△P3；以及流經(jīng)外升氣管側(cè)壁開孔時(shí)產(chǎn)生的收縮壓降△P4。各壓降在升氣管的具體位置參見圖6。因而總壓降就是四部分的加和。通過CFD模擬可以獲得總壓降的數(shù)值，最終通過改變邊界條件和幾何構(gòu)型獲得了不同氣速以及液位高度的總壓降值。具體數(shù)值參見表1。

圖6 各壓力分布簡(jiǎn)圖Fig.6 Pressure distribution diagram

表1 不同進(jìn)口速度及液位高度下的總壓力降Table 1 Total pressure drop at different inlet speeds and level heights Pa

通過表1數(shù)據(jù)可以擬合得到進(jìn)口氣速與壓降的關(guān)系，通過origin8.0分別用兩個(gè)可能的關(guān)系式進(jìn)行擬合：

擬合了各個(gè)液位高度下的壓降曲線，通過origin自帶的比較功能得到下式更加吻合。

相同液位高度下進(jìn)口氣速對(duì)壓降的影響擬合獲得的K值見表2。

表2 進(jìn)口氣速對(duì)壓降影響的擬合K值Table 2 Fitting K value of inlet gas velocity on pressure drop

通過表2可以看出不同的液位高度具有不同的K值，這主要是由于液位高度不同，也就相當(dāng)于升氣管外管側(cè)壁面出口面積不同，因而導(dǎo)致分壓降△P4不止隨著進(jìn)口氣速變化而且隨著液位高度而發(fā)生變化，但是K值卻是主要擬合進(jìn)口氣速的變化規(guī)律，所以K值的不同也能反映一定的出口氣速變化規(guī)律，我們可以看到隨著液位高度的增加，K值有逐漸減小的趨勢(shì)。通過擬合K值可以得到進(jìn)口氣速與壓降的關(guān)系，即為固定液位高度下隔板一側(cè)氣相流量與壓降的關(guān)系，此時(shí)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)控制而言可以利用K值估算當(dāng)前條件下隔板兩側(cè)的氣相流量獲得分氣比，目前對(duì)于隔板兩側(cè)分氣比的工業(yè)測(cè)量還沒有有效的手段，該估算對(duì)于最優(yōu)分氣比的調(diào)節(jié)維穩(wěn)具有極大的指導(dǎo)作用。圖7和圖8可以看到氣相分配器的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。

圖7 ZX截面壓力場(chǎng)分布Fig.7 ZX section pressure field distribution

通過圖7和圖8可看出fluent模擬是完全收斂的，其模擬準(zhǔn)確度可以得到保證。

2.3 液位高度對(duì)壓降的影響關(guān)系

固定進(jìn)口氣速等邊界條件，探究了液位高度在0～130mm之間的壓降變化關(guān)系，具體數(shù)值可以參見表1。同樣采用兩個(gè)可能的關(guān)系式進(jìn)行公式擬合，并且添加了如下公式：

通過origin的公式比較功能得到以下公式更加吻合：

相同進(jìn)口氣速下液位高度對(duì)壓降影響擬合獲得的K1值和y0參見表3。

表3 液位高度對(duì)壓降影響的擬合K值Table 3 Fit K value of liquid level height on pressure drop

通過表3的數(shù)值我們可以看到，液位高度的變化對(duì)于K1值是沒有什么影響的，但是y0卻隨著氣速的增加而逐漸變大。我們知道每一個(gè)進(jìn)口氣速都對(duì)應(yīng)著單獨(dú)的△P1、△P2、△P3以及△P4，所以進(jìn)口氣速不同必然導(dǎo)致△P1、△P2、△P3發(fā)生變化，同時(shí)對(duì)于△P4的變化可能已經(jīng)擬合到了K1值中去，所以后期用進(jìn)口氣速去擬合y0時(shí)效果并不好，因此y0值需要估算后作為常數(shù)。通過該擬合公式可以得到固定氣相流量下液位高度與壓降的關(guān)系 ，對(duì)于生產(chǎn)控制而言即為可以通過調(diào)節(jié)分配器的液位高度估算該側(cè)的壓降來(lái)調(diào)節(jié)隔板兩側(cè)的壓降，最終在最優(yōu)分氣比條件下達(dá)到隔板兩側(cè)壓降平衡，該擬合公式即為壓降調(diào)節(jié)的手段與工具，通過y0和K1值調(diào)節(jié)液位高度使得當(dāng)前壓降到達(dá)目標(biāo)壓降。

其通過壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析以及origin對(duì)公式的擬合得到了進(jìn)口氣速與壓力的關(guān)系和液位高度與壓力的關(guān)系。其擬合公式卻有所不同，在此做一個(gè)可能的解釋：當(dāng)固定進(jìn)口氣速探究液位高度與壓降的關(guān)系時(shí)，是以液位為自變量，也就是出口氣速U2作為自變量，通過圖6的壓力分布我們可以知道此時(shí)自變量對(duì)于△P1、△P2、△P3是沒有什么影響的，所以我們可以把△P1+△P2+△P3作為常數(shù)看待。且該常數(shù)是隨著U1的增大而增加的。 K1值則作為對(duì)液位變化規(guī)律的總結(jié)。因此該公式是比較適合該變化的：

但是當(dāng)固定液位高度探究進(jìn)口氣速與壓降的關(guān)系時(shí)，進(jìn)口氣速的變化必然會(huì)導(dǎo)致△P1、△P2、△P3、△P4都發(fā)生變化，因而此時(shí)下式會(huì)更加適合：

但是不同的液位高度其擬合的K值卻不同，其主要是因?yàn)槌隹跉馑俚挠?jì)算是以進(jìn)口氣速乘以塔截面積后除以總側(cè)壁開孔面積得到的平均出口氣速，因此相對(duì)而言在這里引入了一個(gè)新的變量U2，最終導(dǎo)致K值隨著液位高度(側(cè)壁開孔面積的減小)的增加而減小。

3 結(jié)論

通過對(duì)幾何構(gòu)型的改進(jìn)獲得了較優(yōu)的適用于隔板填料塔的內(nèi)件構(gòu)型，其具體考慮因素為氣液相流量大小，極限液位高度，側(cè)壁開孔面積大小，側(cè)壁開孔對(duì)于液位的靈敏度，本身幾何構(gòu)型壓降的弱化等問題。通過對(duì)速度場(chǎng)壓力場(chǎng)的綜合分析可以獲得速度壓力的分布，指導(dǎo)幾何構(gòu)型的改進(jìn)，最終得到較優(yōu)的幾何構(gòu)型。

通過擬合公式將取點(diǎn)模擬變?yōu)榍€的連續(xù)關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)中任意點(diǎn)的變量關(guān)系提供了計(jì)算與指導(dǎo)意義。并獲得了進(jìn)口氣速(進(jìn)口流量)通過中間變量液位高度與壓降的關(guān)系，以液位高度為調(diào)節(jié)手段，以隔板兩側(cè)壓降平衡為目標(biāo)，獲得相對(duì)較為準(zhǔn)確的分氣比，對(duì)于工業(yè)最優(yōu)分氣比的維穩(wěn)控制提供了良好的理論支撐和價(jià)值參考。

總結(jié)而言，該構(gòu)型氣相分配器確實(shí)具有控壓能力，對(duì)于隔板塔分氣比的控制實(shí)用性比較強(qiáng)，其通過液位高度這一中間變量實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓降的可靠控制，其可操作性、實(shí)用性、控制靈敏度都比較高。同時(shí)通過對(duì)變量間關(guān)系的公式擬合，后期可以用PID控制進(jìn)行實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。

符號(hào)說(shuō)明

△P1——底板處收縮壓降，Pa

△P2——升氣內(nèi)管處壓降，Pa；

△P3——?dú)庀噢D(zhuǎn)向壓降，Pa；

△P4——升氣管外管側(cè)孔處壓降，Pa；

K——擬合常數(shù)；

K0——擬合常數(shù)；

K1——擬合常數(shù)；

ρ——流體密度，kg·m-3；

uarv——進(jìn)口氣速與出口氣速的均值，m·s-1；

U1——進(jìn)口氣速，m·s-1；

U2——出口氣速，m·s-1；

y——通過氣相分配器的總壓降,Pa。