氣液分配器碎流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化與數(shù)值模擬

常天文，楊景軒，郝曉剛，趙澤華，高志華，黃 偉

（1. 太原理工大學(xué) 化工學(xué)院，山西 太原 030024；2. 太原理工大學(xué) 煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

煤油共煉[1-3]結(jié)合了煤直接液化和重油加工兩項(xiàng)技術(shù)，既降低了煤直接液化操作難度，又可高效加工重油和渣油。 延長(zhǎng)石油煤油共煉工藝采用懸浮床加氫裂化-固定床加氫改質(zhì)的技術(shù)路線，其中加氫改質(zhì)過程主要在滴流床反應(yīng)器[4-6]中進(jìn)行。 氣液分配器是滴流床反應(yīng)器的重要內(nèi)構(gòu)件，其作用是使進(jìn)入反應(yīng)器的氣液兩相得到充分混合并均勻地噴灑到催化劑床層上。 常用的氣液分配器主要有4類：篩板型分配器、管式分配器、泡帽型分配器和氣提型分配器。工業(yè)裝置上使用最廣泛的是BL型泡帽分配器，其中碎流板的結(jié)構(gòu)對(duì)氣液相的均勻分配非常重要。

侯亞飛等[7]發(fā)現(xiàn)氣液相經(jīng)過分配器后，液相體積分率呈正態(tài)分布，碎流板正下方中心區(qū)液相分率最高，四周向外快速降至零。 由此可見，中心流攜帶了大多數(shù)液體進(jìn)入床層空間，而側(cè)邊流對(duì)液相分散貢獻(xiàn)較小。 液相正態(tài)分布區(qū)的面積稱為噴灑面積，碎流板開孔數(shù)從13增至25，噴灑面積和中心液相分率的峰值基本不變。 倪艷光等[8]通過調(diào)節(jié)氣相速度優(yōu)化氣液分布，氫氣的入口速度從0.15 m/s升高到0.50 m/s，液相分率的峰值逐漸降低，噴灑面積變化并不明顯。 曾祥根等[9]通過改變液相流率調(diào)節(jié)氣液分布，液相流率增加會(huì)提高液相分率的峰值，但噴灑面積基本不變。 分析上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，BL型分配器存在的主要問題是液相多匯集于中心，碎流板并沒有很好地將液體引向側(cè)邊流，造成了諸如液相噴灑角度小[10,11]，噴灑面積擴(kuò)展難，存在流動(dòng)死區(qū)[12,13]等不足。

針對(duì)上述問題，提出了一種封閉式碎流板結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整底面和側(cè)錐面開孔數(shù)量，以及改善側(cè)錐面錐度，優(yōu)化中心流與側(cè)邊流的液相流量分配，保證液體盡可能均勻地分布在整個(gè)床層。

1 分配器優(yōu)化與模擬

1.1 分配器碎流板優(yōu)化

BL型分配器結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。 圖中紅線為流體流動(dòng)方向，氣體高速通過泡帽條縫產(chǎn)生負(fù)壓，在此負(fù)壓產(chǎn)生的抽吸作用下，液體進(jìn)入降液管和泡帽間的環(huán)隙，氣液兩相在此形成沸騰狀混合流，至泡帽頂部后180°轉(zhuǎn)向進(jìn)入降液管。 氣液混合流下行至碎流板，直接穿過碎流板的部分稱為中心流，撞擊碎流板向四周分散的部分稱為側(cè)邊流。

圖1 BL型分配器結(jié)構(gòu)

本研究以泡帽型分配器[14]的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，僅改進(jìn)碎流板結(jié)構(gòu)：縮小底平面，增加側(cè)錐面，封閉降液管出口。 通過改變錐角和兩個(gè)面的開孔數(shù)調(diào)控中心流和側(cè)邊流。 碎流板開孔方案如表1所示。

表1 碎流板開孔方案

改進(jìn)型分配器的幾何模型如圖2所示，降液管到底面的距離固定為50 mm，計(jì)算域直徑為500 mm，計(jì)算域高度為1000 mm，入口到分配盤的距離為200 mm，分配盤到出口的距離為800 mm。

圖2 改進(jìn)的氣液分配器

1.2 數(shù)值模擬與驗(yàn)證

1.2.1 流體物性、模型選擇及邊界條件

選用國(guó)內(nèi)某煉油廠加氫裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)，在單個(gè)分配器操作條件下（330 °C, 6 MPa），柴油及氫氣的物性參數(shù)如表2所示。

表2 柴油及氫氣的物性參數(shù)

根據(jù)加氫反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的情況，作如下假設(shè)：氣液兩相為不可壓縮的牛頓流體，流動(dòng)形式為湍流；不考慮兩相之間的質(zhì)量傳遞；氣液兩相在流動(dòng)過程中不發(fā)生相變； 氣液兩相之間壓力相同，接觸界面壓力降可以忽略不計(jì)。 使用歐拉雙流體模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

氣液兩相并流進(jìn)入入口，進(jìn)口邊界條件采用速度入口，出口邊界條件采用壓力出口，設(shè)置為環(huán)境壓力；采用SIMPLE算法作為壓力-速度的耦合方程；動(dòng)量、 湍動(dòng)能和耗散率方程均采用二階迎風(fēng)方程；采用非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.005 s。

1.2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)于CFD模擬來說， 網(wǎng)格數(shù)量影響計(jì)算速率和計(jì)算精度。 采用四面體網(wǎng)格離散計(jì)算域并局部加密。以進(jìn)出口壓力降為參考，取200 s計(jì)算結(jié)果，考察網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。 網(wǎng)格數(shù)量從403259增加至1184347，進(jìn)出口壓降維持在350 Pa左右，波動(dòng)幅度不超過1.5%，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)量的影響。 為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將各個(gè)幾何結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量控制在40萬(wàn)左右。

1.2.3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

采用上述模型，但物料采用與實(shí)驗(yàn)[7]相同的水和空氣，空氣和水的質(zhì)量流量之比為200:1，計(jì)算域的直徑與實(shí)驗(yàn)相同。 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到分配器下方150 mm平面處沿反應(yīng)器徑向的液相體積分率，因此本模擬結(jié)果也取相同位置的液相體積分率，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖3。 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)完全相同的分布趨勢(shì)，僅在數(shù)值上有所差別，所選模型在液相體積分率峰值上相差不大，在噴灑面積上誤差為10.3%，模型誤差在合理范圍內(nèi)。

圖3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 模擬結(jié)果與討論

在對(duì)分配器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，液相分布均勻性是衡量分配器性能的重要指標(biāo)之一。 王振元等[15]在分配器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中采用相對(duì)不均勻度B2定量評(píng)估液相分布均勻性，其定義如式(1)、式(2)所示：

式中，n為收集分區(qū)的個(gè)數(shù)， 本文中n取9；ui和u分別為收集分區(qū)和全反應(yīng)器平均液相表觀線速度，m/s。

另外，通過統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格內(nèi)的液相體積，利用液相體積分率云圖直觀展示床層截面液相分布狀態(tài)。

中心流流量比是評(píng)估中心流和側(cè)邊流分配的重要指標(biāo)，采用式(3)～式(7)評(píng)估中心流和側(cè)邊流的流量比：

式中，εz和εc為中心流和側(cè)邊流截面的加權(quán)體積分率；uz和uc為中心流和側(cè)邊流的截面加權(quán)液相速度，m/s；Az和Ac為中心流和側(cè)邊流的截面面積，mm2；wi,z和wi,c為中心流和側(cè)邊流的權(quán)重因子；εl,i,z和εl,i,c為中心流和側(cè)邊流每個(gè)網(wǎng)格的液相體積分率；ul,i,z和ul,i,c為中心流和側(cè)邊流每個(gè)網(wǎng)格的液相速度，m/s；ρl為液相密度，kg/m3；A為反應(yīng)器截面面積，mm2。

2.1 底面開孔數(shù)對(duì)分配器性能的影響

表1中的對(duì)照組1是僅調(diào)整碎流板底平面開孔數(shù)量的對(duì)比結(jié)構(gòu)，其液相分布均勻性如圖4所示。

圖4 底面開孔數(shù)對(duì)相對(duì)不均勻度的影響

同樣條件下，BL型分配器相對(duì)不均勻度是11.6%。在改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，液相分布不均勻度和相對(duì)不均勻度隨開孔數(shù)的增多呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。王振元等[15]提出，當(dāng)液相相對(duì)不均勻度小于5%（圖4中紅色虛線）時(shí)可以認(rèn)為液相分布是均勻的。 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的開孔數(shù)達(dá)到16即滿足此標(biāo)準(zhǔn)。 繼續(xù)增加開孔數(shù)，液相不均勻度仍有所減小，但降幅已很少。 其中，24孔結(jié)構(gòu)的液相分布不均勻度最低。

圖5說明了液相不均勻度明顯改善的原因。 將分配盤下方150 mm處橫截面分成如圖5所示的9個(gè)區(qū)域。 其中，中心圓直徑為降液管外徑，小圓環(huán)外徑為250 mm。 顏色標(biāo)識(shí)出液相體積分率的高低，數(shù)字表示此區(qū)域內(nèi)液相流量的占比。 標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)中，液相沒有很好地?cái)U(kuò)散到整個(gè)平面，主要聚集于分配器正下方區(qū)域。 改進(jìn)后，碎流板的噴灑面積更大，液相分散更加均勻。

圖5 液相體積分率云圖

統(tǒng)計(jì)中心流和側(cè)邊流的質(zhì)量流量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 底面開孔數(shù)對(duì)流量的影響

在所有的結(jié)構(gòu)中，中心流流量均大于側(cè)邊流，BL型分配器尤甚，中心流流量高達(dá)99.8%。底平面開24孔結(jié)構(gòu)的中心流量占比最低，相對(duì)不均勻度也最小。 可見，減小中心流量，增大側(cè)邊流量有利于降低相對(duì)不均勻度。 圖6所示的改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，中心流量占比均保持在95.5%左右。 可見，僅僅改變碎流板底平面的開孔數(shù)并不能很好地調(diào)節(jié)中心流和側(cè)邊流的流量分配。 侯亞飛等[7]的研究結(jié)果與本文類似：改變BL型分配器碎流板的開孔個(gè)數(shù)，液相體積分率的峰值變化很小，中心流量變化不大。 因此，要進(jìn)一步均勻分散液相，需要探索碎流板側(cè)壁面結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響。

圖7 錐面開孔數(shù)對(duì)相對(duì)不均勻度的影響

2.2 側(cè)錐面開孔數(shù)對(duì)分配器性能的影響

表1中的對(duì)照組2是僅調(diào)整碎流板側(cè)壁開孔數(shù)的對(duì)比結(jié)構(gòu)，其液相分布均勻性如圖7所示。 隨錐面開孔數(shù)的增加，液體分布不均勻度逐漸減小，相對(duì)不均勻度則是先減小，在開孔個(gè)數(shù)為24時(shí)最低，達(dá)到5%，可以認(rèn)為液相均勻分布，隨后略有增加。

圖8展示了側(cè)面開24孔時(shí)，分配盤下方150 mm處橫截面的液相體積分率。 錐面最優(yōu)開孔結(jié)構(gòu)在不同流域之間液相體積分率的差別都在2%之內(nèi)。相比之下，在底面最優(yōu)開孔結(jié)構(gòu)中（圖8），不同流域之間的液相體積分率的差別高達(dá)4.5倍。調(diào)整錐面開孔數(shù)量能夠改善液相分散均勻性。

圖8 液相體積分率云圖

中心流量與側(cè)邊流量分配關(guān)系如圖9所示。 錐面開孔數(shù)量的調(diào)整并未改變中心流的主導(dǎo)作用，各結(jié)構(gòu)的中心流量占比均在92%以上，但都低于BL型結(jié)構(gòu)99.8%的中心流占比。 相比之下，24孔結(jié)構(gòu)的中心流占比最小，液相分布也最均勻。 可見，合理調(diào)配中心流量和側(cè)邊流量對(duì)液相分布的均勻性有非常重要的影響。 減小中心流，增強(qiáng)側(cè)邊流，平衡二者是調(diào)控的基本方向。

圖9 錐面開孔數(shù)對(duì)流量的影響

2.3 側(cè)錐面錐角錐度對(duì)分配器性能的影響

表1中的對(duì)照組3是僅改變側(cè)錐面錐角的對(duì)比結(jié)構(gòu)，其液相分布均勻性如圖10所示。 隨錐度的增加，液體分布不均勻度逐漸減小，相對(duì)不均勻度先減小，在錐度為77°時(shí)最低，為3%，可以認(rèn)為液相均勻分布，在錐度為79.5°略有增加，隨后逐漸增加。

圖10 改變錐度對(duì)相對(duì)不均勻度的影響

圖11展示了錐度為77°時(shí)，分配盤下方150 mm處橫截面的液相體積分率。 錐度最優(yōu)結(jié)構(gòu)在不同流域之間液相體積分率的差別都在1%之內(nèi)，明顯小于底面最優(yōu)開孔結(jié)構(gòu)（圖5b）和錐面最優(yōu)開孔結(jié)構(gòu)（圖8）中的差別。 優(yōu)化側(cè)錐面錐度能夠再次改善液相分散均勻性。

圖11 液相體積分率云圖

圖12 改變錐度對(duì)流量的影響

進(jìn)一步分析中心流量與側(cè)邊流量分配關(guān)系。 如圖12所示，中心流量占比隨著錐度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，77°錐角時(shí)中心流量占比最低，液相分布也最均勻（圖11）。 最優(yōu)錐角下中心流量占比約為84%，雖未改變中心流的主導(dǎo)作用，但對(duì)中心流量和側(cè)邊流量分配是上述結(jié)構(gòu)中最平均的，從液相體積分布云圖看，其對(duì)液相的分散性也是最佳的。

3 結(jié)論

本論文針對(duì)BL型氣液分配器液相噴灑角度小、噴灑面積擴(kuò)展難等不足開展研究，通過優(yōu)化碎流板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了其均勻分散液相的能力，得到如下主要結(jié)論：

（1）BL型分配器的碎流板結(jié)構(gòu)幾乎沒有對(duì)中心流和側(cè)邊流起到分配作用，中心流占比高達(dá)99.8%，由此產(chǎn)生噴灑角度小、噴灑面積擴(kuò)展難的問題。

（2）側(cè)錐面和底面組成的封閉式碎流板結(jié)構(gòu)對(duì)中心流和側(cè)邊流的流量分配起到一定的調(diào)控作用，降低中心流量，增加側(cè)邊流量可以有效改善液相的分散均勻性。

（3）調(diào)整碎流板的底面和側(cè)面開孔數(shù)量、優(yōu)化側(cè)錐角都可以降低中心流量，增加側(cè)邊流量。 其中，優(yōu)化錐角的效果最明顯。 在開孔面積不變的條件下，底面和側(cè)錐面的最佳開孔數(shù)量均為24，最佳側(cè)錐角為77°。