隔板塔中氣體調配裝置數值模擬與實驗研究

陳祥武，孫 姣，陳 楠，葛化強，陳文義

（1.河北工業大學 化工學院，天津 300130；2.河北工業大學 工程流動與過程強化研究中心，天津 300130）

隔板塔（DWC)是一種完全熱耦合精餾塔,早在1933年由Eric[1]因裂解氣問題提出，塔中多股物流同時在塔內進行傳質、傳熱，能夠實現單塔多組分分離，既可以提高熱力學效率、降低能耗，又可以減少設備投資[2-3]．

Halvorsen等人[4]運用簡捷法對隔板塔能耗進行研究，分析發現隔板塔比普通精餾塔額外增加了2個自由變量液相和氣相分流比（Liquid and vapor splitratios），并且這2個變量對于隔板塔的節能起到至關重要的作用．袁希鋼[5]、方靜[6]、何西濤[7]等在各自的研究體系中，分析了氣、液相分配比對隔板塔操作性能的影響，均指出適當的氣、液相分配比能降低隔板塔的能耗，提高精餾產品的純度．同時，實現氣流在隔板兩側空間的均勻分布也是及其重要的，潘國昌[8-9]指出氣流在精餾塔內應均勻分布，否則將出現氣液溝流、接觸不良及出塔產品不符合等問題．可見實現氣、液分配比調節及上升氣體在隔板兩側均勻分布是非常有意義的，這也是推進隔板塔技術發展的關鍵內容．王二強[10]綜述了國內外隔板塔內部氣、液相分配比調節裝置的應用情況，指出液相分配比調節裝置相對成熟，氣相分配比的控制還是一個難題．

以往研究者們更多關注的是氣、液相分配比對隔板塔性能的影響，尤其是對于氣相分配，以被動方式分配氣體到隔板兩側，嚴重影響隔板塔的有效調節．本課題組開發了一種新型的隔板塔氣體調配裝置，能有效地實現隔板塔的氣體調節和分布，本文針對這種新型的氣體調配裝置，開展了數值分析與實驗研究．

1 數值模擬

1.1 氣體調配裝置計算區域網格及幾何模型

氣體調配裝置由升氣通道、調節板、氣體分布板和氣體分布機構組成，如圖1a）所示，隨著調節板開度變化，升氣通道內部氣體流通阻力發生改變，在不同的通道內阻力下，氣體在不同的升氣通道內實現分流，最后由氣體分布機構均勻分布到隔板兩側．選取內徑284mm，高度1500 mm的隔板塔為計算區域，裝置位于厚度8mm、高度600mm的隔板下端，利用STAR-CCM+，采用多面體網格對計算區域進行網格劃分，氣體調配裝置計算區域網格如圖1b）所示．初始參數計算如下．

流體介質為20℃空氣，密度 =1.205 kg/m3，粘度 =1.81×105Pa s，進口速度 =0.732 m/s．

1）輸送氣體雷諾數

2）湍流強度

3）特征長度

式中： 為速度入口截面的當量直徑，m．

圖1 氣體調配裝置計算區域網格及幾何模型Fig.1 Polyhedral mesh of computational fluid region and geometrical model of vapor split device

1.2 控制方程

基于不可壓的雷諾平均方程組求解，采用Realizable 二方程湍流模型構成封閉的方程組，模型采用二階迎風格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法．

1.3 邊界條件

選取隔板塔底端和頂端作為模擬的速度入口和壓力出口，進口速度 =0.732 m/s，出口壓力為大氣壓，根據壁面不滑移假設，計算區域壁面設置為非滑移網格屬性，設置邊界層厚度為0.003 3 m．

根據文獻 [11]，調節氣體分配比過程中，一側全開，只調節其中一側開度，這種調節方式可以更好地獲得節能效果．文中只改變左側調節板開度，開度（）分別為：10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°．

2 升氣通道內部的流場分布

圖2、圖3是調節板在20°、50°、80°開度下氣體調配裝置雙側升氣通道 =0.142 m縱向截面處的流場壓力云圖、速度云圖，相對于左側帶有調節板的升氣通道內流場的分布情況，右側升氣通道內的氣相流場分布比較均勻，隨著調節板開度的增大，流場中速度、壓力分布值在降低，下面主要分析左側氣體通道內流場分布狀況．

由圖2壓力云圖可以看出，隨著調節板開度的增大，氣體有效流通面積增加，調節板前后壓力梯度減小，氣體流動阻力下降，在開度為20°時，調節板前端壓力較大，后端壓力較小，并有局部的負壓區，形成較大的壓力梯度，數值遠高于開度為50°和80°的情況，在開度50°時，低壓區面積減少，負壓區消失，在開度80°時，壓力場分布比較均勻．

由圖3速度云圖可以看出，通道內的氣體流速隨著開度的增大而增加，在開度為20°時，通道內流速很小，數值遠小于開度為50°和80°的情況，流體幾乎被堵住，氣體通過狹窄流道后沿側壁向上流動，在開度為50°時，高速氣體流過調節板后，沿側壁處流速較大，中心位置處流速較小，并有局部漩渦產生，開度為80°時，氣體在通道內高速、均勻流動．

圖2 不同開度下升氣通道 =0.142 m縱向截面處流場壓力云圖Fig.2 Pressurecontoursof thelongitudinal section =0.142mof gaschannelsatdifferentopeningdegrees

圖3 不同開度下升氣通道 =0.142 m縱向截面處流場速度云圖Fig.3 Velocity contoursof thelongitudinal section =0.142 m of gaschannelsat different opening degrees

3 氣體分布機構結構優化

本部分選取隔板塔底端為氣相進口，采用速度入口作為邊界條件，進口速度 =0.732 m/s．

氣體分布機構是實現氣體均勻分布到隔板兩側的關鍵結構，氣體通過不同V型角度（）的氣體分布機構時的流動特性直接影響氣體分布，選取 =30°、 =40°、 =50°、 =60°，4種V型角度，對比氣體經過該尺寸氣體分布機構的流動特性，采用氣體不均勻度[8]來表征氣體在隔板兩側空間的分布情況：

氣體分布機構在 =1 m縱向截面處的速度流場分布如圖4所示，氣體由升氣通道流到氣體分布板的下端空間內，通道垂直上方區域流體速度相對較大，兩側區域速度較小，速度流場分布不均勻，靠近壁面處有局部漩渦產生，氣體通過分布板后得到均勻分布，相對于V型角度 =30°、50°、60°時，氣體通過分布板后中心區域速度相對較大的情況，V型角度 =40°時，分布板上端的氣速分布比較均勻，氣體以較高的流速均勻的流到氣體分布機構的升氣管中，高速氣體受V帽的阻擋，絕大部分氣體由相鄰V帽邊緣的空間處噴射到上方，少量氣體則反轉向下流動，在V型角度為40°時，氣體經過相鄰V帽之間空隙處噴射強度較強．

圖4 4種V型角度氣體分布機構 =1 m縱向截面處速度矢量圖Fig.4 Velocity vector distributionsof four kindsof V anglegas distribution structureat longitudinal section of =1 m

氣體通過不同V型角度的氣體分布機構的壓降損失比較結果見表1，由表1可以看出，隨著V型角度 的增加，氣體調配裝置內部的壓降逐漸升高，顯然這是由于角度增大，氣體通過相鄰V帽之間的流動空間變小，氣體流通阻力增大，造成的阻力損失增加．

表1 不同V型角度氣體調配裝置內部壓降損失Tab.1 Pressure drop in vapor split device at different V angle

氣體通過氣體調配裝置V帽上部，不同軸向位置橫截面上氣體分布不均勻度 值見圖5．可以看出，氣體不均勻度 隨V帽角度 和截面高度H而變化，同截面上，在 =40°時的 具有最小值， =30°時的 值略有增加，但明顯小于 =50°、 =60°時的 值，同一V型角度 時，隨著截面高度H的增加，氣體分布不均勻度 的數值不斷降低，氣體在截面上的分布越均勻．

通過上述的優化分析可知，V帽作為該裝置的關鍵結構，對裝置的壓降損失及氣體通過裝置后在隔板兩側的分布情況均影響較大，V型角度 =40°時，氣體不均勻度 具有最小值，氣體在隔板兩側的分布情況最優，但壓降損失略高于V型角度 =30°時的情況．

圖5 氣體分布不均勻度與V型角度 關系Fig.5 Therelationship between uneven distribution of gasand V angle

4 實驗研究

為了分析氣體調配裝置的調節特性及驗證數值模擬的準確性，進行了實驗研究．

由上述對流場分析可知，通過改變調節板開度，可以將塔底上升氣體按一定的比例分配到隔板的兩側，為表征塔底上升氣體在隔板兩側的分配情況，定義氣體分配比 為

式中：Q1、Q2為塔底上升氣體在左、右兩升氣通道內分配的流量值，m3/h．

4.1 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示，由JH-1型離心風機提供氣源，采用L型皮托管和RE1211數值微壓計配合使用測量進入隔板塔的氣體流量值，U型管壓差計和L型皮托管配合使用采集雙側升氣通道內同一截面上的多點速度值．隔板塔內徑為284 mm、外徑300 mm，高度1 500 mm，氣體調配裝置外徑為300 mm，總高為140mm，位于厚度8mm、高度600mm的隔板下端，均采用有機玻璃材質．

4.2 實驗方法

實驗在介質為20℃空氣中進行，塔內進氣流量為167m3/h，表觀氣速為0.732 m/s．

實驗采用皮托管系數K=1的L型皮托管，在測量塔內進氣流量時，皮托管垂直于進氣管道中間位置，另一端與RE1211數值微壓計相連，儀表顯示氣體流量值．

速度分布的測量采用皮托管作為測速手段，并配合U型管壓差計對升氣通道內靠近出口處的速度分布進行測量，測量時皮托管垂直于升氣通道調節板上端的橫截面．對速度數據進行處理時，用不可壓縮的伯努利方程計算截面中某一點的氣速 ．

圖6 實驗裝置示意圖Fig.6 Diagram of experimental apparatus

其中：u為測量點處流體速度，m/s；K為皮托管系數； P為通過皮托管測得的動壓，Pa； 為空氣密度，kg/m3．

多點測量流速后，求得流速平均值，計算升氣通道內的氣體流量值Q．

其中：Q為流量值，m3/h；A為升氣通道橫截面積，m2；U為平均流速，m/s．

4.3 實驗結果及分析

實驗結果與模擬結果對比情況如圖7所示，可以看出模擬值與實驗值比較吻合，證明了文中的數值計算方法用于氣體調配裝置研究是可行、有效的．隨著調節板開度（）的降低，左右升氣通道內的流量值均發生變化，流量值1減少，流量值2增加，氣體分配比 不斷增大，且開度大于50°時，變化幅度較小，裝置工作的緩和平穩，開度小于50°時，變化幅度較大，裝置調節靈敏．

5 結論

1）該種氣體分配裝置滿足隔板塔性能要求，可調節性好，同時實現隔板兩側氣體流量調節及氣體的均勻分布．

2）數值計算值和實驗值比較吻合，表明用本文的模型和方法對裝置進行流場模擬及結構優化是可行的．

圖7 數值模擬與實驗結果對比Fig.7 Comparison of numerical results with experiments

3）數值模擬表明：上升氣體在裝置雙側升氣通道內發生分流，帶有調節板通道內的流動狀況較復雜，壓力場、速度場的分布受調節板開度的影響較大，在開度小于50°時，氣體繞過調節板后形成較大的壓力梯度，通道內流速較小，有局部漩渦產生，氣體分配比變化較大，裝置調節靈敏有效；在開度大于50°時，壓力梯度降低，流速增大，局部漩渦強度減弱，氣體分配比變化緩慢，裝置工作緩和平穩．

4）V帽角度的改變對氣體通過裝置后的壓降損失、氣體分布的均勻性影響較大，V型角度為40°時，氣體分布不均勻度 具有最小值，氣體在隔板兩側的分布情況最優，且氣體通過裝置的壓力損失在可接受范圍內，為最佳選擇．

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