填料塔氣體分布裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流場模擬

摘 要：本文主要介紹了雙葉片氣體分布器和雙切向循環(huán)氣體分布器的主要結(jié)構(gòu)特點。在相同塔徑、相同進(jìn)口直徑和不同進(jìn)氣速度的條件下，分別對兩種氣體分布器和優(yōu)化分布器的流場進(jìn)行了模擬，分析了主體結(jié)構(gòu)對配氣的影響，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性，希望能夠借此幫助相關(guān)研究者進(jìn)行工作設(shè)置。

關(guān)鍵詞：填料塔氣體分布器;流場模擬;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 氣體分布器的介紹

隨著新型高孔隙率、低壓降、高效填料的不斷開發(fā)和研究，以及大型淺層填料塔的廣泛應(yīng)用，塔內(nèi)氣流可以均勻分布在第一填料床上的傳統(tǒng)觀點已被研究人員在研究過程中否決。針對組合式塔內(nèi)的氣體分配，介紹了雙葉片氣體分布器和雙切向循環(huán)氣體分布器的主要結(jié)構(gòu)特點。在相同塔徑、相同進(jìn)氣直徑和不同進(jìn)氣速度的條件下，分別對兩種氣體分布器和優(yōu)化分布器的流場進(jìn)行了模擬，分析了主體結(jié)構(gòu)對配氣的影響，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。

1.1雙列葉片式氣體分布器

雙排葉片氣體分配器的氣體沿著入口直徑流入塔中。入口兩側(cè)有兩排弧形導(dǎo)葉，頂部和底部采用封閉結(jié)構(gòu)。氣流沿兩排葉片從左右兩側(cè)分離，并流向塔壁。塔體兩側(cè)空氣流量大，在氣流中心形成漩渦，結(jié)構(gòu)氣速分布均勻，夾帶液體少，強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)緊湊，適用范圍廣，已成功應(yīng)用于直徑大于10m的大型填料塔。

1.2雙切向環(huán)流式氣體分布器

雙均循環(huán)氣體分布器的氣相流在進(jìn)入塔前，由左右對稱結(jié)構(gòu)的擋板將其分為兩股，然后分別進(jìn)入內(nèi)外套筒之間的弧形通道。由于材料沿弧形通道移動時產(chǎn)生的離心力，液滴被拋到塔壁，并沿塔壁向下流動。擋板位置的高度沿環(huán)形通道逐漸布置，氣體被弧形擋板攔截，依次分為多股流體，沿?fù)醢迩€流向塔底，然后返回并向上流動，并通過內(nèi)套筒進(jìn)入分配器上方的空間。電弧通道、引弧板、下塔空間和分配器上方空間的共同作用，使原料氣在塔中均勻分布。其氣速分布相對均勻，液體泡沫入口小，阻力影響小，綜合性能好，應(yīng)用范圍廣，廣泛應(yīng)用于直徑超過10米的大型填料塔。

2 氣體分布器的流場模擬理論

該分析方法的優(yōu)點是推導(dǎo)結(jié)果具有普遍性，幾個影響因素清晰可見，可作為指導(dǎo)實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論依據(jù)。為了獲得理論的抽象結(jié)果，保證研究的有序性，需要對模型進(jìn)行簡化，特別是對于非線性情況，只有少數(shù)流動狀態(tài)可以給出理論分析結(jié)果。實驗測量方法得到的結(jié)果更加真實可靠，這一結(jié)果是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，其重要性不容低估。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場攝動、人為因素和測量精度的限制，難以通過實驗方法獲得復(fù)雜流場的精確結(jié)果。此外，實驗方法也會遇到很多困難和不便，如資金不足、人力物力成本巨大、周期長等。計算流體方法（CFD）克服了前兩種方法的不足，CFD采用數(shù)值模擬方法，通過計算機(jī)求解描述流體運動的數(shù)學(xué)方程，結(jié)合物理方程和邊界條件的配置，揭示流體運動的物理規(guī)律，能夠研究穩(wěn)定流體運動的空間物理特性和不穩(wěn)定流體運動的物理時空特性。常用的CFD軟件解算器基于有限體積法，將計算和分析模型離散為一系列控制體積。根據(jù)這些控制體積，得到質(zhì)量、動量和能量守恒的一般方程，然后將偏微分方程離散為代數(shù)方程。最后，用數(shù)值方法求解方程組，得到流場計算結(jié)果。隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展，fluent、CFX等計算流體力學(xué)軟件層出不窮，使得計算流體力學(xué)方法的廣泛應(yīng)用成為可能。

2.1 氣體分布器的流場模擬

流體流動模擬包括以下步驟：（1）確定物體的流動特征;（2）建立物理模型和網(wǎng)格;（3）建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證;（4）數(shù)值計算，包括邊界條件和初值的調(diào)整、方程的離散化和方程的求解;（5）模擬結(jié)果的處理和分析。

為了能夠更好的簡化實驗具體的模擬過程，筆者根據(jù)相關(guān)理論進(jìn)行了以下假設(shè)：（1）介質(zhì)為20℃空氣，規(guī)定的進(jìn)氣流速分別為15m/s、20m/s和25m/s;（2）除氣體入口和出口外，所有墻面均為剛性光滑表面;（3）壁面不采用滑動極限條件，湍流采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法處理。進(jìn)氣口采用初始速度條件，排氣口采用初始中壓條件，這種結(jié)構(gòu)更容易獲得收斂結(jié)果。計算方法采用雙精度條件下的有限體積法，迭代次數(shù)設(shè)置為5000次。分別計算了兩種氣體分布器和兩種改進(jìn)型氣體分布器中的速度場分布。

2.2 流場模擬結(jié)果的討論

（1）關(guān)于雙線葉片結(jié)果的討論：對于相同結(jié)構(gòu)的雙線葉片氣體分布器，速度場分布規(guī)律是相同的，在輸出平面內(nèi)靠近內(nèi)壁表面有兩個不等速度區(qū)域，這證明了兩個位置都存在偏流現(xiàn)象，因此有必要對分配器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。（2）關(guān)于雙切向循環(huán)結(jié)果的討論：對于相同結(jié)構(gòu)的雙線葉片氣體分布器，速度場分布規(guī)律是相同的，并且在輸出平面內(nèi)靠近壁面有兩個不等速度區(qū)，這證明了兩個位置都存在偏流現(xiàn)象，因此有必要對分配器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。（3）關(guān)于雙排葉片（帶分配環(huán)）結(jié)果的討論：雙排葉片（帶分配環(huán)）結(jié)構(gòu)的氣體分配效果優(yōu)于原型，偏流面積顯著減小，但壓降增加。（4）關(guān)于雙切向循環(huán)（帶橫向擋板）結(jié)果的討論：與原型相比，雙排葉片（帶分配環(huán)）氣體分布器顯著改進(jìn)，偏流面積顯著減小，但壓降增加。（5）壓降和均勻性的比較壓降指數(shù)和均勻性和均勻性是氣體分布器的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，雙線葉片式的壓降較小，改進(jìn)后的分布器壓降大大增加，但略小于雙切向環(huán)流。無論是樣機(jī)還是改進(jìn)型，輸出均勻性均小于70%，均勻分布效果改善不明顯。雙切向循環(huán)式的壓降較大，改進(jìn)后的壓降提高了20%左右，均勻性優(yōu)于第一種。改進(jìn)后的均勻分布效果接近73%（高于分配器2m），證明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能有效改善均勻分布效果。

3 結(jié)論

填料塔具有效率高、壓降低、流量大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。氣體分布器廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收和分離等化工裝置操作中。在設(shè)計和選擇填料塔內(nèi)部時，應(yīng)注意氣體分布器與包裝性能之間的對應(yīng)關(guān)系。只有當(dāng)這兩種結(jié)構(gòu)合理時，填料塔的設(shè)計才能更加合理。隨著計算機(jī)技術(shù)、計算流體力學(xué)等先進(jìn)設(shè)計方法和研究方法的發(fā)展，不斷推動填料塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入研究。通過流體計算軟件獲得了包裝塔內(nèi)氣體的流動狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)實驗結(jié)果掌握了塔內(nèi)氣體的流動規(guī)律，為改進(jìn)組合塔初始?xì)怏w分布器的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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姓名：李鵬（1986.10-04-）;性別：男，籍貫：江蘇省南京人，民族：漢族，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于揚州大學(xué);現(xiàn)有職稱：助理工程師;研究方向：化學(xué)工程與工藝。