固定床反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件-溢流型分配器的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

薄守石， 張 旭， 劉敬敬， 雷瑞星， 孫蘭義

(中國石油大學(華東) 重質(zhì)油國家重點實驗室， 山東 青島 266580)

近幾十年來加氫技術(shù)發(fā)展迅速，加氫催化劑活性得到了巨大的提高，而加氫反應(yīng)器及其內(nèi)構(gòu)件的性能對催化劑能否發(fā)揮其活性起到極其重要的作用[1]，開發(fā)和設(shè)計性能優(yōu)良的固定床加氫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件是目前研究的主要方向之一。

在固定床加氫反應(yīng)器中，液相在催化劑床層中的分布效果對反應(yīng)器的穩(wěn)定運行和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響[2]。液相分布不均勻可能會使催化劑效率大大降低，并導致催化劑床層局部過熱和催化劑結(jié)焦失活。氣-液分配盤作為固定床加氫反應(yīng)器中的重要內(nèi)構(gòu)件，其作用是使氣-液兩相進行相互接觸，利用氣相對液相的破碎和分散作用，將液相均勻地噴灑在催化劑床層表面，氣-液分配盤的性能決定了液相能否在催化劑床層表面實現(xiàn)均勻分布[3]。氣-液分配盤通常是由許多氣-液分配器按某種特定的排列方式安裝在塔盤上，塔盤上所有氣-液分配器的分配效果疊加形成氣-液分配盤的分配效果。一個氣-液分配盤上一般分布有成百上千個氣-液分配器，由于計算機性能的限制，氣-液分配盤的模擬研究不易實現(xiàn)，所以單個氣-液分配器分配效果的研究顯得尤為重要。筆者從液相噴灑面積、液相分布不均勻度以及壓降3個方面考察單分配器的分配性能。工業(yè)上采用的大多數(shù)分配器按工作原理可分為抽吸型、溢流型、噴射型和組合型4類[4]。其中溢流型分配器結(jié)構(gòu)簡單，分配點密度高，液位差為主要驅(qū)動力，適用于更寬范圍的氣相負荷；缺點是對液體高度變化敏感，抗塔板傾斜能力很差，液相入口很容易結(jié)焦或被碎屑堵塞[5]。

Raynal等[6]使用計算流體力學軟件對溢流型分配器進行了2D及3D的模擬，選用流體體積函數(shù)VOF模型，探究了溢流型分配器的流動狀態(tài)，并確定了液相流動對分配器的分配效果有顯著影響。Alvarez等[7]使用計算流體力學軟件，研究了分配器下方催化床層截面的液相噴灑狀況，得到了溢流型分配器的流體力學行為。侯亞飛等[4-5]和柳士開等[8]選用歐拉-歐拉多相流模型和RNGk-ε兩方程湍流模型對溢流型、抽吸型和噴射型分配器的性能進行了數(shù)值模擬，并對3種分配器進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。李登穩(wěn)等[9]對文丘里型分配器進行了數(shù)值模擬，使用了標準、RNG和可實現(xiàn)的3種k-ε湍流模型，結(jié)果表明，3種湍流模型的模擬結(jié)果相差甚微，并通過冷模實驗證明了模擬結(jié)果的準確性。

筆者基于溢流型分配器結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種液體分布均勻、液相噴灑面積大以及壓降低的固定床加氫反應(yīng)器分配器，并對溢流型分配器進行了數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 模型驗證

中國石化石油化工科學研究院設(shè)計并搭建了直徑500 mm的冷模實驗裝置，采用空氣-水體系對聯(lián)合油公司生產(chǎn)的UOC型氣-液分配器進行了CFD模擬，并對比實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，以驗證模型的可靠性[10]。其中幾何模型、網(wǎng)格劃分、流體力學模型、控制方程以及邊界條件等見參考文獻[5]。

與文獻[10]中實驗測量的數(shù)據(jù)相同，筆者同樣考察了分配器下方150 mm橫截面液相體積分數(shù)的徑向分布，模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，說明所選模型能夠體現(xiàn)分配器中的實際氣-液流動狀態(tài)，為后續(xù)分配器的模擬與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖1 水體積分數(shù)徑向分布模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison of water volume fraction radialdistribution between experiment and simulation

2 溢流型分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 基本構(gòu)型模擬

2.1.1 基本構(gòu)型結(jié)構(gòu)

該溢流型分配器結(jié)構(gòu)較為簡單，其頂部側(cè)方對稱開有2個矩形切口作為氣相入口，氣相入口上部設(shè)置擋板用于阻止液相從頂部直接流入分配器內(nèi)，分配器下部三側(cè)錯位開6個圓孔作為液相入口，降液管底部未設(shè)置碎流板，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溢流型分配器三維模型Fig.2 Three-dimensional model of overflow distributor

2.1.2 模擬條件

以國內(nèi)某石化裝置固定床加氫反應(yīng)器的基礎(chǔ)物流數(shù)據(jù)和氣-液相物性參數(shù)作為模擬數(shù)據(jù)，該反應(yīng)器的基礎(chǔ)物流數(shù)據(jù)和氣-液相物性參數(shù)分別如1和表2所示。

表1 反應(yīng)器基礎(chǔ)物流數(shù)據(jù)Table 1 Reactor basic logistics data

表2 氣-液相物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of gas and liquid phases

該反應(yīng)器分配盤上布置有1153個溢流型分配器。根據(jù)加氫反應(yīng)器的總處理量以及溢流型分配器的個數(shù)計算每個溢流型分配器的氣-液相負荷，單個溢流型分配器的氣相流量為3.0708 m3/h，液相流量為0.3687 m3/h，氣液相總流量為3.4395 m3/h。按溢流型分配器間距確定單個分配器計算域直徑為0.236 m，計算域橫截面面積為0.04374 m2。反應(yīng)器入口處氣-液相混合速率為0.02184 m/s，液相體積分數(shù)為0.1072。

2.1.3 模擬結(jié)果分析

通常情況下加氫裝置中分配盤下方200 mm橫截面為顆粒填充物。分配器下方200 mm橫截面的液體分布情況見圖3。由圖3(a)可以看出，該分配器下方200 mm橫截面的液相噴灑直徑范圍約為-0.096～0.086 m，液相分布略偏離分配器中心。該分配器直徑為28 mm，液相噴灑范圍的直徑為分配器直徑的6.5倍，噴灑面積為0.026 m2。由圖3(b)可以看出，分配器下方200 mm橫截面液相速率峰值為1.19 m/s，液相速率分布也存在偏心(速率峰值不在分配器中心)現(xiàn)象。另外經(jīng)過后處理計算得到分配器的壓力降為117.81 Pa。

圖3 分配器下方200 mm橫截面處的液體分布情況Fig.3 Liquid distribution at 200 mm below the distributor(a) Liquid volume fraction； (b) Liquid volume velocity

為了對分配器的液體分布性能進行定量比較，筆者引入液體分布不均勻度的概念，其定義式如式(1)所示[11]。

(1)

2.2 分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 氣相入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

氣相入口的變化會影響氣相的進氣速率和流動狀態(tài)。在氣相入口面積不變的前提下，氣相入口優(yōu)化考察5種情況，分別為：側(cè)方1口、側(cè)方2口(基本構(gòu)型)、側(cè)方3口、側(cè)方4口、側(cè)方5口。5種分配器結(jié)構(gòu)如圖4所示，計算結(jié)果如圖5和表3所示。

圖4 5種分配器的三維模型Fig.4 Three-dimensional models of five distributorsGas inlet structure: (a) 1 Hole; (b) 2 Holes; (c) 3 Holes;(d) 4 Holes; (e) 5 Holes

圖5 分配器下方200 mm橫截面液相體積分數(shù)云圖Fig.5 Contour of the liquid phase volume fraction on the200 mm horizontal plane below the distributorGas inlet structure: (a) 1 Hole; (b) 2 Holes;(c) 3 Holes; (d) 4 Holes; (e) 5 Holes

如圖5所示，5種構(gòu)型在分配盤下方200 mm橫截面的液相分配狀況相似，僅側(cè)方4口的液相體積分數(shù)深色部分的面積較小。由表3可知:分配器的氣相入口為側(cè)方4口時的液相噴灑面積最大，約為0.036 m2；側(cè)方4口分配器的不均勻度最小，與基本構(gòu)型側(cè)方2口分配器相比有明顯改善；比較壓降計算結(jié)果，5種構(gòu)型中側(cè)方4口壓降最低，為117.07 Pa。

表3 氣相入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算結(jié)果Table 3 Calculation results of the gas inletstructure optimization

根據(jù)以上計算結(jié)果綜合分析可知，對氣相入口進行優(yōu)化的5種結(jié)構(gòu)中，氣相入口結(jié)構(gòu)為側(cè)方4口時，整體性能最佳。液相噴灑面積比基本構(gòu)型增大了24.91%；液相分布不均勻度比基本構(gòu)型減小了6.73%；壓降也最小。因而，以氣相入口為側(cè)方4口的分配器為基準進行下一步優(yōu)化。

2.2.2 液相入口半徑優(yōu)化

分配器的分配性能也受到液相入口半徑的影響，液相入口較大時，液相的處理量不變，面積越大，液相流速越低，液相沿壁流動效果就會越嚴重，液相不能被有效分散，從而影響分布效果；而液相入口較小時，液相可能會在分配盤上不斷積累，導致液相從分配器頂端的氣相入口流入，影響分布效果[5]。因而需要對分配器的液相圓形入口半徑進行優(yōu)化。5種分配器計算結(jié)果如圖6、圖7與表4所示。

從圖6和圖7可以看出，液相入口半徑為2 mm時，液相沿頂部氣相入口進入，存在嚴重的中心匯流現(xiàn)象，中心區(qū)域體積分數(shù)較大，原因主要是和液相入口結(jié)構(gòu)有關(guān)。液相入口為小孔，一定的液位高度的流體通過小孔，當孔徑較小，流體流速較大時，流體在管中心匯合，形成中心匯流。液相入口半徑為3～6 mm的液相體積分數(shù)相差不大。由表4可知:液相入口半徑為3 mm的分配器液相沿徑向的分布范圍最大，4 mm次之，5 mm和6 mm的噴灑面積相同且最??；液相入口半徑為3 mm的分布不均勻度最小，為0.1486； 5種分配器中液相入口半徑為2 mm的分配器壓降最小，半徑為3 mm的壓降次之。

圖6 分配器縱截面液相體積分數(shù)云圖Fig.6 Contour of the distributor vertical section liquid volume fractionLiquid inlet radius/mm: (a) 2; (b) 3; (c) 4; (d) 5; (e) 6

圖7 分配器下方200 mm水平面液相體積分數(shù)云圖Fig.7 Contour of the liquid phase volume fraction on the200 mm horizontal plane below the distributorLiquid inlet radius/mm: (a) 2; (b) 3; (c) 4; (d) 5; (e) 6

表4 液相入口半徑優(yōu)化計算結(jié)果Table 4 Optimization calculation results of liquid inlet radius

根據(jù)以上計算結(jié)果綜合分析可知，液相入口半徑為3 mm的分配器不均勻度最小，壓降較低，噴灑面積最大。因而，選用液相入口半徑為3 mm圓孔的分配器作為優(yōu)化構(gòu)型，并以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行優(yōu)化。

2.2.3 液相入口排列方式優(yōu)化

分配器側(cè)壁上的液相入口可有多重排列方式，其對分配器性能也有較大的影響，因而對液相入口的排列方式進行模擬優(yōu)化。在液相入口半徑為3 mm的前提下，考察6種分配器結(jié)構(gòu)，分別為一側(cè)錯開型、兩側(cè)錯開型、三側(cè)錯開型、兩側(cè)并列型、三側(cè)并列型和四側(cè)并列型，結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8 6種分配器的三維模型Fig.8 Three-dimensional models of 6 dispensersArrangement of liquid inlet: (a) 1 Side stagger; (b) 2 Sides stagger;(c) 3 Sides stagger; (d) 2 Sides parataxis;(e) 3 Sides parataxis; (f) 4 Sides parataxis

由圖9可知，一側(cè)錯開型和兩側(cè)錯開型的液相分布均存在較為嚴重的偏心現(xiàn)象，三側(cè)并列型中心匯集區(qū)域較小，其余構(gòu)型的液相分布效果相似。由表5可知：3種錯開型分配器的液相噴灑面積相同，3種并列型分配器的液相噴灑面積相同，并列型的液相噴灑面積略大于錯開型，但相差不大；并列型的分布不均勻度均低于錯開型，其中三側(cè)并列型分配器的分布不均勻度最低，為0.1462；并列型分配器的壓降均比錯開型分配器大，在并列型分配器中以三側(cè)并列型最小為128.14 Pa，比三側(cè)錯開型高9.46%，但其壓降增大的幅度是可以接受的。

圖9 分配器下方200 mm橫截面液相體積分數(shù)云圖Fig.9 Concentration cloud map of liquid phasevolume fraction in the horizontal plane of200 mm below the distributorArrangement of liquid inlet: (a) 1 Side stagger; (b) 2 Sides stagger;(c) 3 Sides stagger; (d) 2 Sides parataxis;(e) 3 Sides parataxis; (f) 4 Sides parataxis

表5 液相入口排列方式優(yōu)化計算結(jié)果Table 5 Optimization calculation results of theliquid inlet arrangement

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，由于錯開型分配器的每個液相入口高度不同，導致各液相入口的進液量不同，從而使液相分率峰值偏離分配器中心，影響分配盤上各個分配器下方液相的有效均勻疊加。三側(cè)并列型分配器的分布不均勻度最小，且無偏心現(xiàn)象，壓降在可接受范圍內(nèi)，故選擇三側(cè)并列型分配器進行下一步優(yōu)化研究。

2.2.4 碎流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從上面的模擬情況可以看出，經(jīng)過以上初步優(yōu)化后的溢流型分配器仍存在液相中心匯流現(xiàn)象，考慮在分配器下方20 mm處添加與分配器內(nèi)徑等徑的碎流板?？疾?種情況，分別為無碎流板、平板不開孔、平板開三孔、平板開四孔、平板開六孔和平板開八孔。5種碎流板結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 5種分配器碎流板結(jié)構(gòu)Fig.10 5 Types of the distributor fragment structureDebris flow plate structure: (a) Flat plate without holes; (b) 3 Holes; (c) 4 Holes; (d) 6 Holes; (e) 8 Holes

由圖11可知：添加碎流板后，分配器下方低高空處出現(xiàn)了無液相區(qū)域，但在距離分配器底部一定距離后，無液相區(qū)域消失；由于添加碎流板后，氣液混合物在碎流板作用下向兩側(cè)分散，可有效消除中心匯流現(xiàn)象，當碎流板開孔后，部分氣液混合物通過開孔流動，減少了氣液混合物的動量，擴散角減小，所以添加平板不開孔型碎流板分配器的噴射角度最大。由表6可知：在添加碎流板的分配器中，碎流板開孔后，噴灑面積明顯比不開孔的小，隨著開孔個數(shù)的增加，單孔面積的減少，噴灑面積逐步增大，平板不開孔碎流板的噴灑面積最大，為0.044 m2，比無碎流板分配器大22%；平板不開孔碎流板的分布不均勻度最小，為0.1399，與基本構(gòu)型相比降低了9.4%，對于開孔碎流板，其基本趨勢為碎流板開孔數(shù)量越多，分布不均勻度越小；所有添加碎流板后的分配器壓降幾乎一致，均高于無碎流板的分配器。這是由于碎流板的阻礙作用，增加了分配器的壓力損失，故而壓降增加。但壓降僅增加了10 Pa，增長幅度較小，在可接受范圍內(nèi)。

圖11 分配器縱截面液相體積分數(shù)云圖Fig.11 Distributor vertical section liquid volume fraction cloud imageDebris flow plate structure: (a) No debris flow plate; (b) Flat plate without holes; (c) 3 Holes; (d) 4 Holes; (e) 6 Holes; (f) 8 Holes

表6 碎流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算結(jié)果Table 6 Calculation results of structure optimizationof debris flow plates

根據(jù)模擬結(jié)果可知，與基本構(gòu)型相比，添加平板不開孔型碎流板分配器的分布效果更好，噴灑面積最大，與基本構(gòu)型相比增加了69.2%，分布不均勻度最低。因此推薦采用添加平板不開孔型碎流板的分配器。

3 結(jié) 論

在某加氫裝置操作工況條件下，對溢流型分配器進行了數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定了優(yōu)化后的新溢流型分配器結(jié)構(gòu)：氣相入口為側(cè)方四孔，液相入口半徑為3 mm，液相入口排列方式為三側(cè)并列，并添加平板不開孔型碎流板。新溢流型分配器相較于基本構(gòu)型分布不均勻度降低了9.4%，噴灑面積增加了69.2%，分配效果得到了有效提升。