加氫反應器內(nèi)氣體預分布器均布性能數(shù)值研究

鐘駿良，涂齊輝，吳 剛，李 剛，何 磊，梁 健

（1. 寧波巨化化工科技有限公司，浙江 寧波 315203；2. 中國船舶集團有限公司 第七一一研究所，上海 201108）

軸向流固定床反應器結構簡單、操作方便、催化劑機械磨損小、操作彈性大，廣泛應用于石化領域中的加氫處理過程。在軸向流固定床反應器中，反應物以接近平推流的狀態(tài)流過催化劑床層，反應物和催化劑之間的相界面積較大，化學反應速率快，催化劑床層內(nèi)的流體分布情況會直接影響床層中的傳熱傳質(zhì)及化學反應過程，進而影響反應物的轉(zhuǎn)化率和催化劑的利用效率。隨著近年來加氫反應裝置逐漸趨于大型化，反應器內(nèi)氣流分布的均勻性對整個反應過程的影響變得愈發(fā)重要，已逐漸成為工程開發(fā)的關鍵問題之一[1-2]。氣體預分布器是固定床加氫反應器的重要內(nèi)構件，主要作用是通過調(diào)整反應器進口氣體的流動方向，使流體能夠均勻地分散至整個反應器截面，防止高速流體直接沖擊催化劑床層，并充分發(fā)揮整個床層催化劑的作用，提高反應轉(zhuǎn)化率[3-4]。目前，工程上較為常用的氣體預分布設備主要有：單級擋板型[5-7]、多孔直管型[8]和多孔孔板型[9-12]等。針對現(xiàn)有分布器的均布性能，國內(nèi)外許多學者開展了大量的研究工作，分析反應器內(nèi)流體的流動規(guī)律，并開發(fā)了一系列新結構的氣體預分布器[13]。郭湘波等[4]采用數(shù)值模擬方法考察了單級擋板型分布器的氣體均布性能，指出單級擋板雖然能夠消除氣體對床層表面的沖擊，但會在擋板下部形成較大的回流區(qū)，造成新的氣流分布不均現(xiàn)象，而通過對擋板進行開孔則能夠有效改善這一問題。鐘思青等[14-17]針對擋板型分布器進行了一系列實驗和模擬研究，考察了側壁環(huán)隙高度、擋板開孔尺寸等結構參數(shù)對氣流分布的影響，并進而提出了底部和側壁均帶篩孔的擋板型分布器，取得了較好的技術效果。范玉佼等[8]考察了多孔直管型分布器側壁開孔尺寸、開孔位置、孔隙率等結構參數(shù)對流體分布效果的影響，提出了分布效果最佳的開孔率和布置方案。王浩宇等[12]對軸向流吸附塔加裝不同分布器后的內(nèi)部流場進行了比較，指出多孔孔板型與單級擋板型分布器組合使用時，分布器的布氣效果最好，氣流分布最為均勻。

本工作以寧波某化工廠加氫反應器入口氣體預分布器的結構設計為背景，采用數(shù)值模擬的方法對反應器內(nèi)流場進行研究和分析，比較了目前已有不同類型預分布器的氣體均布性能，并在此基礎上考察了分布器結構參數(shù)對氣流分布的影響，以揭示固定床反應器內(nèi)流體的流動特性和規(guī)律，為同類型分布器的結構優(yōu)化和設計應用提供一定的理論依據(jù)和參考。

1 數(shù)值計算方法

1.1 計算域及邊界條件

以加氫反應器入口段為研究對象進行模擬計算，反應器內(nèi)徑為3 000 mm，氫氣管口內(nèi)徑為433 mm，第一級催化劑床層距反應器拱頂距離為1 850 mm，催化劑裝填高度500 mm。為考察不同類型氣體預分布器對反應器內(nèi)氣流分布的影響，分別選用單級擋板型[5]、多孔直管型[8]和多孔孔板型[14]氣體預分布器布置在反應器的入口處。由于反應器的流體區(qū)域具有中心對稱性，故選取四分之一圓周的計算域進行網(wǎng)格劃分，并忽略掉對流體分布影響較小的支撐結構，以簡化計算模型，提高計算速度。采用ANSYS ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證，確定網(wǎng)格總數(shù)約為3×107，整體網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上。計算中，氫氣入口采用質(zhì)量入口邊界條件，入口流量為1.1 kg/s，進口溫度為127 ℃；模型出口設置為壓力出口，操作壓力為1.4 MPa。由于反應器具有良好的保溫性能，因此將反應器壁面設置為絕熱條件；整體計算區(qū)域采用周期性邊界條件。

1.2 計算模型

模擬采用CFD軟件ANSYS Fluent的壓力基隱式求解器進行計算，利用Realizable k-ε湍流模型模擬反應器內(nèi)的氣體流動，并將氫氣假定為理想氣體以考慮氣體密度隨反應器內(nèi)壓力和溫度的變化。計算過程中，將催化劑床層簡化為多孔介質(zhì)模型，通過催化劑的孔隙率和顆粒當量直徑來計算床層內(nèi)的阻力損失。采用SIMPLE半隱式算法求解壓力與速度的耦合方程，方程采用二階迎風格式離散。選擇出口邊界的平均速度為監(jiān)視變量，當該變量基本不變，且計算殘差低于10-3（能量方程為10-6）時，認為計算結果收斂。

1.3 分布器性能評價指標

由于氣體預分布器的主要作用是使氣體在進入反應器后，能夠均布整個反應器截面，因此為量化分布器的氣體均布性能，采用均勻性指數(shù)為評判指標，對反應器不同高度截面（催化劑床層上方50，100，150，200，250 mm）的軸向速度進行分析。另外，在目前已有的數(shù)值研究工作中，通常都僅以催化劑床層上方的氣流分布作為評價指標，而忽略了氣體流動對床層表面催化劑布置所可能產(chǎn)生的影響。實際上，當氣體流經(jīng)催化劑床層時，床層會增加氣體的流動阻力，使氣體在催化劑床層表面產(chǎn)生徑向的分速度，進而破壞床層表面催化劑布置的均勻性，影響催化劑的使用效率。因此本工作在考察分布器性能時，還引入平均分速度，對床層上方的徑向分速度進行比較。

2 結果與討論

2.1 氣體預分布器對反應器內(nèi)流場的影響

圖1 為無預分布器和布置不同類型預分布器情況下，反應器床層上方的氣體速度分布云圖。由圖1a可知，在無預分布器的情況下，氣體在進入反應器后便以較高的速度在反應器中心形成射流，并直接沖擊催化劑床層表面。由于床層對氣流的阻力作用，氣體在到達床層表面后，會沿著床層表面由中心向四周擴散，一方面使氣流分布呈現(xiàn)中間高兩邊低的趨勢，另一方面會使氣體轉(zhuǎn)向壁面流動，在床層上部空間形成返混。布置氣體預分布器后，由于分布器在氣體射流路徑上存在阻擋，氣體會通過分布器環(huán)隙流出而改變流動方向。由圖1b和1c可知，采用單級擋板型和多孔直管型分布器，會使氣體射流方向由沿軸向轉(zhuǎn)變?yōu)檠貜较颍瑲怏w在撞擊壁面后再沿壁面流至床層表面。盡管這減小了氣體對催化劑床層的沖擊，但氣體在分布器下方會形成很大的回流區(qū)，對氣體分布均勻性的改善相對有限。由圖1d可知，采用多孔孔板型分布器時，氣體會沿分布器開孔分散流出，且不會沖擊至反應器壁面，氣體不會在局部區(qū)域內(nèi)集中，從而能夠有效改善內(nèi)部氣體的均勻分布。

圖2 為布置不同類型預分布器對催化劑床層上方不同高度截面氣體分布均勻性和平均徑向速度的影響。

由圖2可知，由于催化劑床層對氣流的整流作用，距床層表面距離越近的截面，氣體分布的均勻性越高。在無預分布器的情況下，由于入口射流氣體完全依靠床層的阻力作用實現(xiàn)氣流的分布，因此氣體以較快的流速在床層表面擴散，氣流對床層催化劑的沖擊影響較大。布置氣體預分布器后，氣體在到達床層表面前便能夠?qū)崿F(xiàn)初步的擴散，對床層催化劑的沖擊減小。然而，采用單級擋板型和多孔直管型分布器時，氣體經(jīng)預分布器流出后被引向反應器壁面，使氣體在壁面上產(chǎn)生壁流效應，氣體在反應器壁面區(qū)域集中，氣流分布的改善并不明顯。而采用多孔孔板型分布器時，孔板的傾斜角度能夠調(diào)整氣體流出分布器的速度方向，有效避免氣體對壁面的沖擊，氣流分布較另兩種分布器明顯改善。同時，采用多孔孔板型分布器時，氣體在床層上方空間便已經(jīng)充分擴散。當氣體流至床層表面時，其流動速度降低，對床層表面催化劑的沖擊作用較小。

圖2 氣體預分布器對床層上方不同高度截面氣體分布均勻性 （a） 及氣體徑向速度 （b） 的影響Fig.2 The influence of the gas pre-distributor on the gas distribution uniformity(a) and gas radial velocity(b) at different heights above the bed.

2.2 布置高度對預分布器均布性能的影響

圖3 為床層上方不同高度截面的氣體均勻性隨預分布器布置高度的變化。由圖3可知，當預分布器距催化劑床層的高度大于1 150 mm時，由于增大預分布器的布置高度能夠使氣流在離開分布器后獲得足夠的擴散空間，從而在到達床層表面前得到充分的發(fā)展，因此氣體的均布效果會隨著分布器布置高度的增加而提高。而當預分布器距催化劑床層的高度小于1 150 mm時，分布器下方的氣流受空間限制而產(chǎn)生了較大的漩渦，氣流分布受漩渦影響而不發(fā)生明顯變化，預分布器的均布性能受布置高度的影響較小。

圖3 布置高度對預分布器均布性能的影響Fig.3 Effect of installation heights on the gas distribution uniformity performance of the pre-distributor.

另一方面，由圖1d可知，當采用多孔孔板型分布器時，部分氣體會沿著側向孔板回流至反應器頂部，從而在分布器上方產(chǎn)生渦旋，這種渦旋不僅會增加氣體在反應器頂部的停留時間，同時也會造成較大的能量損失。以預分布器上方旋流的最大速度作為參考值，對不同布置高度下分布器上方的氣體流動狀態(tài)進行比較，如圖4所示。

圖4 預分布器上方旋流速度隨布置高度的變化Fig.4 Variation of the vortex velocity above the pre-distributor with the installation height.

由圖4可知，減小分布器的布置高度能夠改善分布器上方的流動狀態(tài)，但同時也會導致分布器的均布性能降低，當布置高度為1 100 mm時，分布器上方氣體的旋流速度達到最小值，說明此時分布器對氣體停留時間的影響較小。因此，在設計預分布器時，需綜合考慮預分布器的均布性能和上方氣體流動狀態(tài)，在本工作中，分布器的布置高度距床層表面為1 100～1 200 mm時較為適宜。

2.3 孔板傾斜角度對預分布器均布性能的影響

由于多孔孔板型分布器的結構特征，氣體流出分布器的速度方向會受孔板傾斜角度的影響而發(fā)生改變，進而改善氣流在床層上方的分布狀態(tài)。以布置在1 100，1 200 mm兩種高度處的分布器為考察對象，在15°～45°傾角范圍內(nèi)，每間隔5°選取計算點，考察孔板傾斜角度對預分布器均布性能的影響，其中，孔板傾斜角度定義為側向孔板與水平擋板之間的夾角。圖5為距床層高度50 mm截面處氣體分布均勻性隨孔板傾斜角度的變化曲線。從總體趨勢上看，減小分布器孔板的傾斜角度能有助于提高分布器的均布性能，而改變分布器的布置高度并不會影響它的均布性能隨孔板角度的變化規(guī)律。當孔板傾斜角度在20°～40°范圍內(nèi)時，分布器的性能無明顯差別，其中30°和35°的分布器性能相對較好。

圖6 為不同孔板傾斜角度條件下預分布器出口速度分布云圖。由圖6可知，不同孔板傾斜角度下，氣體流出分布器的速度方向與側向孔板始終維持在60°左右。增大側向孔板的角度不僅會使出口氣流與水平方向的夾角逐漸減小，同時也會導致更多的氣體從靠近中心的開孔流出，氣體流速顯著提高。因此，當孔板傾斜角度為15°時，盡管氣體流出方向與20°和25°的預分布器相差不大，但出口氣體流速較低，更利于氣體在床層上方的擴散，提高分布器的均布性能。而當孔板傾斜角度為40°和45°時，出口氣體流速較高，且射流方向逐漸轉(zhuǎn)為沿徑向流動，使氣體易于流向反應器壁面，進而影響氣流分布和床層表面的氣體均勻性。

圖5 孔板傾斜角度對預分布器均布性能的影響Fig.5 Effect of orifice plate tilt angle on the gas distribution uniformity performance of the pre-distributor.

2.4 開孔尺寸對預分布器均布性能的影響

入口氣體流經(jīng)孔板分布器時，主要通過靠近中心的開孔流出，而靠近反應器壁面的開孔并沒有得到利用。因此，為了使預分布器的開孔得到充分利用，以預分布器的開孔尺寸為考察變量，研究開孔尺寸對預分布器均布性能的影響。圖7為不同開孔尺寸條件下預分布器出口速度分布云圖。由圖7可知，隨預分布器開孔尺寸增大，由側向孔板首個開孔流出的氣體量增加，出口流速逐漸提高。同時，孔板對入口氣流的阻力降低，分布器上方形成的渦旋顯著減小，縮短了氣體在反應器頂部的停留時間。增大開孔尺寸會導致孔板對出口氣流的導向作用減弱，氣流方向與側向孔板的夾角逐漸減小。當開孔尺寸大于60 mm時，出口氣流與水平方向的夾角已接近于孔板傾斜角度為45°的預分布器，出口氣體射流方向逐漸轉(zhuǎn)為沿徑向流動。

圖7 不同開孔尺寸條件下預分布器出口速度分布云圖Fig.7 Velocity profiles at pre-distributor outlet with different hole sizes.

表1 列出了布置高度為1 100 mm時預分布器的性能參數(shù)隨結構尺寸的變化。由表1可知，增大預分布器的開孔尺寸，有助于降低它對入口氣流的阻力，改善預分布器上方氣體流動狀態(tài)，從而大幅度減小預分布器對氣體停留時間的影響。同時，當孔板傾斜角度保持不變時，開孔尺寸對預分布器均布性能的影響相對較小。對工況4和工況5的預分布器進行比較可知，兩種工況下，預分布器區(qū)域內(nèi)的氣體流動狀態(tài)基本相同，但工況5預分布器的氣體均布性能卻較工況4更優(yōu)，說明孔板傾斜角度對預分布器均布性能的影響更為顯著。因此，在設計預分布器時，應盡可能增大開孔尺寸，同時綜合考慮孔板傾斜角度的影響，選擇兩項參數(shù)的最優(yōu)組合，以實現(xiàn)最佳的氣流分布效果。

表1 不同結構尺寸條件下預分布器性能參數(shù)的變化Table 1 Variation of pre-distributor performance parameters under different structural dimensions

3 結論

1）在反應器入口布置氣體預分布器能夠明顯改善反應器內(nèi)氣體流動的均勻性。

2）隨預分布器的布置高度增加，氣體均布性能提高，但同時會導致預分布器上方產(chǎn)生較大旋流，延長氣體停留時間，造成能量損失。

3）減小預分布器孔板的傾斜角度能有助于提高分布器的均布性能，當孔板傾斜角度為20°～40°時，預分布器具有較好的氣體均布效果。

4）增大預分布器的開孔尺寸對其均布性能的影響相對較小，但能夠有效降低預分布器對入口氣流的阻力，改善預分布器上方的氣體流動狀態(tài)。