填料塔氣體分布裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流場模擬

朱燦朋 穆傳冰 田寶龍 李義超

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司冶金工程分公司焦化事業(yè)部 北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心）

0 引言

長久以來，填料塔初始?xì)怏w分布的重要性尚未被充分重視。通常認(rèn)為，塔內(nèi)氣流初始不均勻分布狀況會在填料層的阻力作用下得到改善，從而迅速均勻分布，因此早期設(shè)計人員只采用一些簡單的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。隨著大型填料塔的開發(fā)和使用，氣體的初始分布問題逐步受到重視。陸續(xù)出現(xiàn)了設(shè)置均布格柵或格柵組合來使氣體均布的結(jié)構(gòu)。21世紀(jì)以來，為了進(jìn)一步提高氣體分布均勻程度和傳質(zhì)效率，開發(fā)了許多性能更好的氣體分布器。大型填料塔而言的設(shè)計難點(diǎn)在于如何妥善地處理填料塔的放大效應(yīng)[1]。

如果填料塔中存在氣相偏壓，會使填料的傳質(zhì)和分離效率顯著降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至?xí)鹕仙龤饬鲓A帶，造成塔內(nèi)操作不正常。因此，氣體分布器的均勻分布性能好壞是決定填料塔設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素[2]。

1 氣體分布器的介紹

隨著新型大空隙率、低壓降高效填料不斷開發(fā)研究和大型淺填料層填料塔的廣泛應(yīng)用，塔內(nèi)氣流在第一層填料床內(nèi)就可以達(dá)到均勻分布的傳統(tǒng)觀點(diǎn)已被研究人員摒棄。對于氣體在填料塔內(nèi)的分布情況，研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論研究，在此基礎(chǔ)上研制出了較為合理的氣體分布器結(jié)構(gòu)，并在逐漸研發(fā)了各種類型的氣體分布器來提高氣體的初始分布程度進(jìn)而提高填料塔的使用性能。

填料塔內(nèi)氣體的分布，尤其是氣體進(jìn)口氣流的初始分布情況，對大型填料塔的設(shè)備性能影響十分顯著。董誼仁等[3-7]對氣體初始分布情況的研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，由于氣體的偏流使塔內(nèi)氣體沿徑向分布不均勻，導(dǎo)致了填料層中氣體分布不均勻，對填料塔的氣體運(yùn)動特性和效率造成直接影響。在氣流初始分布比較均勻時，填料床層內(nèi)的氣流速度分布情況將不再受填料高度和氣液負(fù)荷的影響，液體的壁流現(xiàn)象也會有所改善。根據(jù)理論分析結(jié)果和工程實(shí)踐可知，良好的氣體分布器應(yīng)具備下列性能[3]：

（1） 氣流均勻分布，使入塔的氣體在全塔截面上能保持相同的上升速度；

（2） 由于氣流中夾帶的液滴較少，應(yīng)盡可能地使其分離；

（3） 阻力小，能使高速流漸緩慢減速，減少沖擊，使動能更多地轉(zhuǎn)化為靜壓能；

（4） 占塔內(nèi)的空間小，裝置高度低；

（5） 操作性能可靠，內(nèi)部不易結(jié)塊堵塞；

（6） 結(jié)構(gòu)型式簡單，材料用量少，加工方便。

在眾多類型的氣體初始分布器中，雙列葉片式和雙切向環(huán)流式這兩種類型的氣體分布器在綜合使用性能和制造成本方面有明顯的優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。在分布器性能參數(shù)中，氣體的均布性能和流動阻力是評價氣體分布器性能的兩個主要指標(biāo)。

1.1 雙列葉片式氣體分布器

雙列葉片式氣體分布器如圖1所示。雙列葉片式氣體分布器是20世紀(jì)90年代由歐洲的蘇爾壽公司推出的， 21世紀(jì)以來，國內(nèi)的塔器設(shè)計企業(yè)將其引進(jìn)并進(jìn)行了大量改進(jìn)研究。該分布器的氣體沿進(jìn)口徑向流入塔內(nèi)，入口兩側(cè)有兩排導(dǎo)弧葉片，頂部和底部則采用封閉結(jié)構(gòu)。氣流沿著兩排葉片從左右兩側(cè)分離并沖向塔壁。塔兩側(cè)氣流速率較大，氣流中心會向下形成漩渦。該結(jié)構(gòu)氣速分布較均勻，液沫夾帶量少，阻力較小，結(jié)構(gòu)緊湊且適應(yīng)范圍廣，目前已經(jīng)有應(yīng)用于直徑10 m以上的大型填料塔的成功經(jīng)驗(yàn)[8]。

圖1 雙列葉片式氣體分布器

針對該雙列葉片分布器在使用過程中出現(xiàn)的有關(guān)問題和不足，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在雙層分布器的情況下，使上下層交錯分布提高了氣流分布的均勻性，在分布器上方增加鋸齒形均布環(huán)來解決壁流和偏流問題。

1.2 雙切向環(huán)流式氣體分布器

雙均勻環(huán)流式氣體分布器如圖2所示。雙切向環(huán)流式氣體分布器是20世紀(jì)90年代由美國某公司推出的產(chǎn)品。氣相流進(jìn)入塔內(nèi)前，被左右對稱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板分成兩股流體，然后分別進(jìn)入內(nèi)外套筒之間的弧形通道，由于物料沿弧形通道運(yùn)動時產(chǎn)生離心力，液滴被甩向塔壁并沿塔壁流下，導(dǎo)流弧板的位置高度沿環(huán)形通道采用逐漸上升布置，氣體則依次被弧形導(dǎo)流板截流分成多股流體并沿導(dǎo)流板彎向流向塔底，再折返向上流動，經(jīng)內(nèi)套筒進(jìn)入分布器上方空間?；⌒屯ǖ?、導(dǎo)流弧板、塔底空間和分布器上方空間的共同作用使原料氣在塔內(nèi)均勻分布。其氣速分布較均勻，液沫夾帶量少，阻力影響較小，綜合性能好，適應(yīng)范圍廣，在直徑10 m以上的大型填料塔中應(yīng)用較多[9]。

圖2 雙切向環(huán)流式氣體分布器

為了解決雙切向環(huán)流分布器的問題和不足，在內(nèi)套筒內(nèi)部設(shè)置十字導(dǎo)葉，從而減少塔心旋渦，減少動能損失，并相應(yīng)提高氣體均勻程度。

2 氣體分布器的流場模擬

理論分析方法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)推導(dǎo)得到的結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，可作為指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計算方法的理論基礎(chǔ)。然而，為了得到理論的抽象結(jié)果和確保研究的有序性，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)才能給出理論解析結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)測量方法所得結(jié)果較為真實(shí)可靠。該結(jié)果是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，其重要性不容小覷。但實(shí)驗(yàn)時往往受到模型尺寸、流場擾動、人為因素以及測量精度的限制，復(fù)雜的流場很難通過實(shí)驗(yàn)方法得到精確結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)方法還會遇到許多困難和不便，如資金不足、人力物力成本巨大、周期長等。

計算流體（CFD）方法克服了前兩種方法的缺點(diǎn)。CFD是利用數(shù)值模擬方法通過計算機(jī)求解描述流體運(yùn)動的數(shù)學(xué)方程并結(jié)合物理方程、邊界條件設(shè)定等揭示流體運(yùn)動的物理規(guī)律，可以研究定常流體運(yùn)動的空間物理特性和非定常流體運(yùn)動的時空物理特征[10]。

常用的CFD軟件的求解器是基于有限體積法，將計算分析模型離散化為一系列控制體積，根據(jù)這些控制體得到質(zhì)量、動量、能量等通用守恒方程，再將偏微分方程組離散化為代數(shù)方程，最后利用數(shù)值方法求解方程組來獲取流場計算結(jié)果。隨著計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，眾多計算流體力學(xué)軟件如FLUENT，CFX等問世，使得計算流體力學(xué)方法廣泛應(yīng)用成為可能[11]。

流體流動進(jìn)行模擬研究包括以下幾個步驟：

（1） 確定對象的流動特性；

（2） 建立物理模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

（3） 建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行確認(rèn)；

（4） 數(shù)值計算，具體包括邊界條件和初值的設(shè)定、方程離散和方程的求解；

（5） 模擬結(jié)果的處理分析。

為了簡化模擬過程，進(jìn)行以下假設(shè)：

（1）介質(zhì)選用20 ℃的空氣，指定氣體進(jìn)口流速分別為15 m/s，20 m/s，25 m/s；

（2）除氣體出入口外，所有壁面均為剛性光滑表面；

（3）壁面采用無滑移邊界條件，湍流采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。

氣體入口采用速度初始條件，氣體出口采用平均壓強(qiáng)初始條件，這樣的設(shè)置更容易得到收斂的結(jié)果。計算方式采用雙精度條件的有限體積法，迭代次數(shù)設(shè)定為5 000次。分別計算兩種氣體分布器和兩種改進(jìn)型氣體分布器內(nèi)部的速度場分布情況。

2.1 氣體分布器的流場模擬

氣體分布器的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖

雙列葉片氣體分布器的計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙列葉片式氣體分布器速度場

雙切向環(huán)流氣體分布器的計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙切向環(huán)流式氣體分布器速度場

雙列葉片氣體分布器（帶分布環(huán)）的計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙列葉片氣體分布器（帶分布環(huán)）速度場

雙切向環(huán)流氣體分布器（帶十字擋板）的計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 雙切向環(huán)流式（帶十字擋板）氣體分布器速度場

2.2 流場模擬結(jié)果的討論

（1）雙列葉片的結(jié)果討論

從圖4計算結(jié)果可以看出，對于相同結(jié)構(gòu)的雙列葉片氣體分布器的速度場分布規(guī)律相同，出口平面存在兩個接近內(nèi)壁面的速度不均勻區(qū)域，證明兩處出現(xiàn)了偏流現(xiàn)象，有必要對分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

（2） 雙切向環(huán)流的結(jié)果討論

從圖5計算結(jié)果可以看出，對于相同結(jié)構(gòu)的雙列葉片氣體分布器的速度場分布規(guī)律相同，在出口平面存在兩個接近內(nèi)壁面的速度不均勻區(qū)域，證明兩處出現(xiàn)了偏流現(xiàn)象，有必要對分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

（3） 雙列葉片（帶分布環(huán)）的結(jié)果討論

從圖6計算結(jié)果可以看出，采用雙列葉片（帶分布環(huán)）的結(jié)構(gòu)氣體分布效果較原型有一定改善，偏流面積明顯減小，但壓力降有所增加。

（4） 雙切向環(huán)流（帶十字擋板）的結(jié)果討論

從圖7計算結(jié)果可以看出，對于采用雙列葉片（帶分布環(huán)）氣體分布器較原型有明顯的改善，偏流面積明顯減小，但壓力降有所增加。

（5） 壓力降和均勻度指標(biāo)的對比

壓力降和均勻度是氣體分布器的關(guān)鍵參數(shù)，計算結(jié)果可見表1。

表1 不同速度條件下壓力降和均勻度情況

從表1可以看出，雙列葉片型壓降較小，改進(jìn)型分布器壓力降有較大增加，但較雙切向環(huán)流稍小，不管是原型還是改進(jìn)型，出口均勻度都在70%以下，均布效果提升不明顯。

雙切向環(huán)流型壓降較大，改進(jìn)型壓力降增加了約20%，均勻度較前者更佳，其改進(jìn)型均布效果接近73%（分布器上方2 m處），證明了采用改進(jìn)型結(jié)構(gòu)有效提高了均布效果。

3 結(jié)論

填料塔具有效率高、壓降小、通量大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于精餾、吸收、分離等化工單元操作。填料塔內(nèi)件的設(shè)計選型時，應(yīng)注意氣體分布器與填料性能之間的匹配關(guān)系，二者配置合理才能使填料塔的設(shè)計更合理。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)等先進(jìn)設(shè)計手段和研究方法不斷推動填料塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的深入。通過流體計算軟件得到氣體在其內(nèi)部的流動狀態(tài)，并結(jié)合有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來掌握塔內(nèi)氣體流動規(guī)律，可為填料塔初始?xì)怏w分布器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。