空冷塔的氣體分布器進(jìn)氣段流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

丁 智 譚宏博 溫 娜 孫旭陽 孫 郁

（1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；2.浙江智?；ぴO(shè)備工程有限公司；3.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室）

隨著空分裝置的日趨大型化，采用大孔隙率、低壓降、新型高效填料的空冷塔技術(shù)得到迅猛發(fā)展；其中，塔內(nèi)氣流的初始分布、壓降等參數(shù)對填料塔的氣體分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著重大影響［1］。張呂鴻等基于幾種常用的氣體分布器，開發(fā)了軸徑向進(jìn)料氣體分布器，實驗表明這種軸徑向進(jìn)料分布器氣體分布的均勻性好，但造價高［2］。杜玉萍等通過數(shù)值模擬的方法研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙列葉片式氣體分布器相關(guān)性能的影響情況，結(jié)果表明葉片數(shù)目和葉片直徑存在最優(yōu)值，使分布器氣體均布性能達(dá)到最佳；大葉片傾角使分布器均布性能得到改善，但壓降有所增加［3～5］。Haghshenasfard M等對分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過模擬與實驗相結(jié)合的手段，發(fā)現(xiàn)氣體入口直徑增大時，分布器的氣體均布性能逐漸變好［6］。Kouri R J和Sohlo JJ對塔徑500 mm的氣、液分布器進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果表明氣流進(jìn)氣段分布均勻時，填料層內(nèi)的氣流分布不再受填料和氣、液負(fù)荷的影響，壁流現(xiàn)象減弱；反之液體的壁流和溝流加重，進(jìn)而影響氣液傳質(zhì)和分離效果，因此優(yōu)化大型空分裝置的空冷塔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、獲得均勻的進(jìn)氣流場具有重要的研究意義［7］。

筆者針對4萬空分裝置的散堆填料空冷塔的單列葉片式氣體分布器，采用CFD數(shù)值模擬方法仿真進(jìn)氣段氣流分布和壓降特性，分析了氣體分布器的性能及其影響因素。通過改變進(jìn)氣參數(shù)和氣體分布器結(jié)構(gòu)，比較了不同工況下空冷塔進(jìn)氣段的流場分布特性，評價了其氣體分布不均勻度和壓降，并對單列葉片式氣體分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到更好的綜合性能。

1 單列葉片式氣體分布器模型建立

1.1 物理模型

以某企業(yè)生產(chǎn)的4萬空分裝置用空冷塔進(jìn)氣段為研究對象（進(jìn)氣流量207 050 Nm3/h，進(jìn)氣壓力481.2 kPa，進(jìn)氣溫度378.15 K）?？绽渌睆? 500 mm，氣體分布器段高度4 745 mm，駝峰板高度377 mm，填料層高度1 000 mm（圖1a）。分布器長3 800 mm、寬度1 290 mm，含有5片導(dǎo)流葉片和5片隔板（圖1b）。

圖1 單列葉片式氣體分布器模型

空冷塔段和氣體分布器模型部分參數(shù)如下：

空冷塔

塔壁厚 8 mm

駝峰板厚度 10 mm

分布器

入口直徑 1 246 mm

葉片寬度 1 290 mm

葉片厚度 4 mm

隔板厚度 4 mm

葉片弧度 90°

1.2 控制方程和數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

對于不可壓縮粘性流體，流動時需滿足質(zhì)量、能量和動量守恒定律，流動特征可用連續(xù)性方程和雷諾平均方程表示：

式中 Fg——體積力，N；

p——壓力，Pa；

u——流體表觀速度，m/s；

μ——氣體動力粘度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3；

τ——時間，s。

湍動模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［8］，湍動能k和湍動能耗散率ε以運輸方程描述：

標(biāo)準(zhǔn)湍動能

湍動能耗散率

式中 v——運動粘度，m2/s；

vT——渦團(tuán)運動粘度，m2/s。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的系數(shù)使用Launder和Spalding的推薦值，即C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.3，σε=1.3。

1.2.2 多孔介質(zhì)模型用于描述多孔介質(zhì)滲流的Darcy定律［9］如下：

式中 C2——慣性阻力，1/m；

l——填料層厚度，m；

Δp1——流體流過填料層時的壓降，Pa。

Ergun方程［10］用于預(yù)測填充床內(nèi)部的流動阻力：

式中 Dp——顆粒平均直徑，m；

εk——床層孔隙率。

1.2.3 定量評價指標(biāo)

理想的氣體分布器應(yīng)使出口處的氣體速度達(dá)到均勻分布，其量化指標(biāo)為氣體分布不均勻度M［11］，用來衡量氣體分布均勻性，對出口各點進(jìn)行整體性評價，其物理意義是氣體在某個截面上的分布均勻程度，該物理量數(shù)值越小，表示氣體分布越均勻，該氣體分布器的性能也越好。其定義式為：

式中 F——截面面積，m2；

F0——截面總面積，m2。

氣體經(jīng)過分布器后的能量損失量化指標(biāo)為分布器壓降Δp。分布器壓降定義為整個計算域內(nèi)入口處與出口處的壓力差，即：

式中 pin——分布器入口壓力，Pa；

pout——分布器出口壓力，Pa。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

1.3.1 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

空冷塔網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，對氣體分布器、駝峰板與填料層接觸面進(jìn)行局部加密。計算了300萬到710萬間的7種網(wǎng)格模型的流場分布特性，并給出了空冷塔進(jìn)氣段的總壓降。以總壓降為評價指標(biāo)，結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)目較少時，模擬所得壓降較大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為640萬到710萬之間時，整體壓降維持在301 Pa左右，增加網(wǎng)格對模擬結(jié)果無明顯的影響，因此筆者最終選取網(wǎng)格數(shù)量為640萬的計算模型用于研究。

1.3.2 邊界條件設(shè)置

模型入口為Velocity-inlet，出口為Pressureoutlet，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考慮了流場中各點的湍動能傳遞，適用于某些復(fù)雜的流動。相關(guān)工況參數(shù)如下：

空氣入口流速 7.59～13.64 m/s

空氣入口溫度 378.15 K

空氣入口密度 5.36 kg/m3

空氣入口濕度 20%

空氣出口壓力 481 200 Pa

壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散方式選用“PRESTO!”算法，動量方程、湍動能、湍動能方程、對流項均采用“一階迎風(fēng)格式”進(jìn)行離散，過程考慮重力加速度9.8 m/s2。當(dāng)所用物理量（如連續(xù)性、速度等）的殘差降至10-4以下時，可認(rèn)為計算達(dá)到精度要求。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 空冷塔進(jìn)氣段氣流分布及壓降特性

本節(jié)研究含駝峰板和填料層的單列葉片式氣體分布器的性能，通過模擬定性分析計算域內(nèi)的流場分布、壓力場分布等指標(biāo)，選擇分布器典型截面：沿豎直方向的對稱截面（H截面）和出口截面（Outlet截面），空冷塔進(jìn)氣段內(nèi)部流場分布特性如圖2所示。

圖2 典型截面速度等勢圖、矢量圖和壓力等勢圖

由圖2a可見，氣流進(jìn)入氣體分布器后，撞擊導(dǎo)流葉片速度增大，經(jīng)導(dǎo)流葉片導(dǎo)流后，氣體向左下方流動，且氣體速度逐漸減小，并在底部形成渦旋區(qū)域；圖2b給出了H截面的壓力等勢圖，氣流經(jīng)入口到導(dǎo)流葉片處，壓力明顯增大，這是由于氣流撞擊導(dǎo)流葉片，動能轉(zhuǎn)化為壓力能；空冷塔內(nèi)分布器上方總壓低于分布器下方壓力，該模型總壓降為302.58 Pa，流經(jīng)氣體分布器壓降為275.44 Pa，占總壓降的約89%，經(jīng)駝峰板壓降為32.64 Pa，占總壓降的10%左右。由Outlet截面速度矢量圖（圖2c）可見，Outlet截面速度分布相對均勻，平均速度為0.97 m/s，氣體分布不均勻度為0.313，但是存在明顯的回流區(qū)域，結(jié)合Outlet截面壓力等勢圖（圖2d）可見，回流導(dǎo)致該區(qū)域壓力較低，氣體回流會導(dǎo)致空冷塔內(nèi)部換熱不均等后果，改善氣體回流是優(yōu)化的重要方向。

為改善空冷塔內(nèi)流場分布，降低空冷塔總壓降，必須改進(jìn)分布器結(jié)構(gòu)以提高其綜合性能。為優(yōu)化氣體分布器的氣體均布效果，一方面在未改變空冷塔結(jié)構(gòu)的情況下，可分析改變進(jìn)氣工況對分布器性能的影響規(guī)律；另一方面改變空冷塔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，即改變氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)模擬不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣體入口直徑和導(dǎo)流葉片寬度對分布器性能影響顯著。因此，筆者討論不同入口氣體速度和不同氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)對空冷塔進(jìn)氣段氣流特性的影響規(guī)律。

2.2 分布器性能研究

2.2.1 入口氣體速度改變對分布器性能的影響

根據(jù)前文介紹的空冷塔結(jié)構(gòu)可知，豎直方向上0～623 mm為氣體出分布器到駝峰板底端區(qū)域，623～1 000 mm為駝峰板區(qū)域，1 000～1 600 mm為填料層區(qū)域。

4萬空分裝置空氣流量對應(yīng)為207 050 Nm3/h，當(dāng)空分裝置變負(fù)荷運行時，空氣流量會在額定流量的70%～120%范圍內(nèi)變化，因此有必要研究流量變化下的入口氣體速度對氣體分布器性能影響規(guī)律。圖3反映不同入口速度下空冷塔內(nèi)部不同截面壓力和氣體分布不均勻度變化曲線。

圖3 不同入口氣體速度下截面壓力和氣體分布不均勻度變化曲線

由圖3a可知，在氣體即將進(jìn)入駝峰板時均有一個壓力最大值，結(jié)合圖3b，氣體剛出氣體分布器后隨著截面位置升高，不均勻度逐漸降低，氣體分布逐漸均勻，這是氣體流道變窄、截面壓力升高所致；當(dāng)入口氣體速度最大時，對應(yīng)截面壓力最高，經(jīng)駝峰板壓降可達(dá)45 Pa，在填料層內(nèi)部壓力逐漸趨于穩(wěn)定。其中隨著入口氣體速度增大，各部分壓降逐漸增大，流經(jīng)駝峰板后氣體分布不均勻度升高，這是因為駝峰板開孔在板兩側(cè)，氣體流過駝峰板孔后朝各個方向流動，因此駝峰板對氣體分布起到反向作用，經(jīng)過填料層，不均勻度逐漸降低，在填料層0～300 mm時，氣體分布不均勻度降低較明顯，在300～600 mm時，氣體分布不均勻度降低較小后逐漸趨于穩(wěn)定，可見填料層的存在使氣體分布不均勻度降低0.5，填料層前300 mm的均布?xì)怏w效果最明顯。

圖4為該模型的總壓降和氣體分布不均勻度隨著入口氣體速度變化曲線。隨著入口氣體速度的不斷增加，壓降呈穩(wěn)定上升趨勢，氣體速度從7.59 m/s增加到13.64 m/s時，壓降從129.51 Pa增加到414.34 Pa，不均勻度從0.273增加到0.350，入口氣體速度每增加10%，壓降升高23.37%，不均勻度增加4.48%?？梢?，進(jìn)氣流量增加，不利于降低壓降和提高均布效果。為減小空冷塔內(nèi)氣體流動的壓降、提升流場的均勻性，應(yīng)在較小進(jìn)氣流量下運行。

圖4 入口氣體速度對總壓降和氣體分布不均勻度的影響曲線

2.2.2 氣體入口直徑對分布器性能的影響

在該模型原進(jìn)氣流量的基礎(chǔ)上，比較了分布器導(dǎo)流葉片寬度、導(dǎo)流葉片數(shù)量及導(dǎo)流葉片增加隔板等工況，分析發(fā)現(xiàn)氣體入口直徑、導(dǎo)流葉片寬度的改變對分布器壓降和出口截面氣體分布不均勻度的影響較大，因此將對改變分布器入口直徑和導(dǎo)流葉片寬度的情況進(jìn)行具體分析。

根據(jù)分布器模型結(jié)構(gòu)，分別取4種氣體入口直徑（996、1 120、1 246、1 300 mm）的氣體分布器模型進(jìn)行模擬分析。分析結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知不同氣體入口直徑對應(yīng)的截面壓力和氣體分布不均勻度的變化趨勢是一致的，由圖5a可見，氣體出分布器后壓力緩慢上升，在即將進(jìn)入駝峰板時壓力達(dá)到最大值，且氣體入口直徑越小截面壓力越大，經(jīng)過駝峰板后，壓力損失也越大，氣體在進(jìn)入填料層后壓力逐漸趨于穩(wěn)定。圖5b反映氣體分布不均勻度的變化趨勢，氣體出分布器后，分布逐漸均勻，經(jīng)過駝峰板后氣體離散，在填料層0～400 mm內(nèi)，氣體分布不均勻度降低較為明顯，在400～600 mm內(nèi)，氣體分布逐漸穩(wěn)定。比較4種結(jié)構(gòu)可知，氣體入口直徑越大，氣體分布不均勻度越小，氣體分布越均勻。

圖5 氣體入口直徑對截面壓力和氣體分布不均勻度的影響曲線

氣體入口直徑對模型總壓降和氣體分布不均勻度的影響如圖6所示，隨著氣體入口直徑的不斷增大，壓降和氣體分布不均勻度逐漸減小，氣體入口直徑從996 mm增加到1 300 mm時，壓降從699.98 Pa降低到250.27 Pa，不均勻度從0.414降低到0.236，氣體入口直徑每增加10%，入口氣體速度降低17.36%，壓降大約降低35.65%，氣體分布不均勻度約降低9.21%。

圖6 氣體入口直徑對總壓降和氣體分布不均勻度的影響曲線

2.2.3 導(dǎo)流葉片寬度對分布器性能的影響

圖7所示為不同導(dǎo)流葉片寬度對應(yīng)的截面壓力和氣體分布不均勻度的變化趨勢。如圖7a所示，氣體出分布器后壓力緩慢上升，在即將進(jìn)入駝峰板時壓力達(dá)到最大值，經(jīng)過駝峰板后，壓力大約降低20～50 Pa左右，氣體在進(jìn)氣填料層后壓力逐漸趨于穩(wěn)定。由圖7b可見，氣體出分布器后不均勻度逐漸降低，分布逐漸均勻，經(jīng)過駝峰板后不均勻度升高，進(jìn)入填料層后不均勻度逐漸降低后趨于穩(wěn)定。

圖7 導(dǎo)流葉片寬度對截面壓力和氣體分布不均勻度的影響曲線

圖8反映導(dǎo)流葉片寬度對總壓降和氣體分布不均勻度的影響趨勢，由圖8可見，隨著導(dǎo)流葉片寬度的增加，壓降逐漸降低，不均勻度也逐漸降低，導(dǎo)流葉片寬度在1 000～1 290 mm時，壓降和氣體分布不均勻度降低趨勢明顯。導(dǎo)流葉片寬度從1 032 mm增加到1 548 mm時，壓降從648.07 Pa降低到244.63 Pa，氣體分布不均勻度從0.376降低到0.304，導(dǎo)流葉片寬度每增加10%，整體壓降降低13.72%～36.42%，不均勻度降低2.30%～12.78%，可見，導(dǎo)流葉片變寬會使分布器綜合性能提高，在導(dǎo)流葉片寬度為1 290～1 550 mm之間時，壓降和氣體分布不均勻度降低趨勢減弱，考慮到導(dǎo)流葉片寬度增加會使分布器側(cè)板、上蓋板等參數(shù)均增加，因此導(dǎo)流葉片寬度選取1 290 mm較為合適。

圖8 導(dǎo)流葉片寬度對壓降和氣體分布不均勻度的影響曲線

3 結(jié)論

3.1 空冷塔原始進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和工況條件下，氣體流動在空冷塔內(nèi)局部發(fā)生渦流和回流現(xiàn)象，氣體流場均勻性較差（氣體分布不均勻度為0.313），氣體出口平均速度為0.97 m/s，總壓降為302.58 Pa，駝峰板壓降32.64 Pa。

3.2 入口氣體速度對空冷塔進(jìn)氣段流場影響顯著，增加入口氣體速度造成總壓降的增加和氣體流場均勻性的惡化，氣體速度從7.59 m/s增加到13.64 m/s時，壓降從129.51 Pa增加到414.34 Pa，氣體分布不均勻度從0.273增加到0.350，為減小空冷塔內(nèi)氣體流動的壓降、提升流場的均勻性，應(yīng)控制入口流量在144 938～207 050 Nm3/h。

3.3 研究了不同氣體入口直徑、導(dǎo)流葉片寬度下空冷塔內(nèi)部氣體流場分布情況，發(fā)現(xiàn)在計算的工況參數(shù)范圍內(nèi)，氣體入口直徑從996 mm增加到1 300 mm時，壓降從699.98 Pa降低到250.27 Pa，氣體布不均勻度從0.414降低到0.236；導(dǎo)流葉片寬度從1 032 mm增加到1 548 mm時，壓降從648.07 Pa降低到244.63 Pa，氣體分布不均勻度從0.376降低到0.304；可見增加氣體入口直徑和導(dǎo)流葉片寬度均降低了總壓降并使流場分布更加均勻。