化工過程水平彎管的氣液兩相流動模擬

楊浩（中石化濟南分公司，山東 濟南 250000）

化工過程水平彎管的氣液兩相流動模擬

楊浩（中石化濟南分公司，山東 濟南 250000）

水平彎管內(nèi)來流物料的不穩(wěn)定流動會引起流體流量的不均勻分布，進而影響加熱爐裝置的運行效率。本文采用歐拉-歐拉模型結(jié)合湍流模型，對DN450管道氣液兩相流動特性進行模擬研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于管壁的作用使氣液兩相在進入加熱爐爐管之前流動便發(fā)生了較大的波動，尤其在經(jīng)過彎頭處，當(dāng)水平放置的管道發(fā)展段穩(wěn)定距離達到7 m（16 D）以上時，可以保證管流均勻穩(wěn)定。

水平彎管;數(shù)值模擬;氣液流動

化工過程水平彎管內(nèi)氣液分布的不均勻性主要是由于來流物料的不穩(wěn)定流動引起。當(dāng)氣液混合、流動未發(fā)展平穩(wěn)就經(jīng)過彎頭或者三通分離時，會加強管內(nèi)的氣液分布不均現(xiàn)象。石油化工壓力管道設(shè)計手冊中關(guān)于加氫精制過程中的氫氣與原料的混合物進料的管道布置要求中指出，加熱爐進口管道為兩路或多路進料時，為保證兩路流量分配均勻，減少震蕩，在分段進料之前應(yīng)有20～25倍公稱直徑直管段，并有至少2 m的高度差。由此可以得出，水平彎管三通分離處直管段距離過短使得氣液流動還未充分穩(wěn)定發(fā)展便直接發(fā)生分離，從而產(chǎn)生偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致出口處氣液分配不均。另外，加熱爐入口管道的布置對氣液流動狀態(tài)也有較大的影響，直接影響到爐管內(nèi)的介質(zhì)分配，因此，加熱爐入口管道的合理布置對整個加氫裝置的運行效率有著重要的意義。本文采用歐拉-歐拉模型結(jié)合湍流模型，對水平彎道氣液兩相流動特性進行模擬研究。

1 模擬對象和工況設(shè)置

本文選用的模擬對象為化工過程中常用彎管，如圖1所示。該彎管管徑為450 mm，水平彎管長度為10 m，水平彎管與垂直方向距離2 m。流體首先沿垂直方向流經(jīng)2 m的垂直管道后，經(jīng)過90°的水平彎管，然后水平經(jīng)過10 m的管道。利用Gambit對其進行網(wǎng)格劃分。入口邊界條件設(shè)置為速度入口，通過給定的原油流率大小計算得到，入口方向垂直于入口截面。出口邊界設(shè)置為壓力出口。設(shè)置壁面條件為Wall。其他相關(guān)的參數(shù)設(shè)置根據(jù)原理計算即可得到。

圖1 DN450管道網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型

本文采用歐拉雙流體方法結(jié)合湍流模型對上述水平彎管的充分發(fā)展段內(nèi)的氣液兩相流動特性進行模擬研究。

3 計算結(jié)果與分析

水平管道的液相體積分數(shù)分布如圖2所示。由圖可知，由于垂直管內(nèi)的氣液兩相速度比較均勻，使得液相體積分數(shù)分布較為均勻，然而，當(dāng)流體流經(jīng)彎頭處，流體流向迅速發(fā)生變化，流體在離心力和重力的共同作用下，其內(nèi)的液相被甩到彎頭外側(cè)，而其內(nèi)的氣相主要從彎頭內(nèi)側(cè)流過，導(dǎo)致彎頭內(nèi)側(cè)的液相體積分數(shù)較高。在經(jīng)過直管后的一段距離內(nèi)液相體積分數(shù)分布依然呈現(xiàn)不均勻，隨著氣液兩相流動的發(fā)展，經(jīng)過一段距離后液相體積分布逐漸穩(wěn)定下來，說明流體流動逐漸穩(wěn)定，并入充分穩(wěn)定發(fā)展區(qū)域。

圖2 液相體積分數(shù)分布圖

圖3為流體流經(jīng)彎管后距離垂直彎管為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m處的液相體積分數(shù)分布圖。由圖可知，流體沿水平管流動至少7 m時，液相體積分數(shù)分布變化很小甚至不再發(fā)生變化，可認為流體已經(jīng)進入充分發(fā)展區(qū)域。因此，流體經(jīng)過一個DN450的水平管道后，為使流動均勻、穩(wěn)定分配，至少需要一個7 m（16D）的發(fā)展段長度來使其達到穩(wěn)定流動，即流體達到16 D穩(wěn)定后再次經(jīng)過彎管三通后分流，可以保證進入分支爐管的流體穩(wěn)定流動，流量分配均勻，從而解決水平管內(nèi)流體偏流問題。

圖3 不同距離段的液相體積分數(shù)分布圖

4 結(jié)語

水平彎管內(nèi)來流物料的不穩(wěn)定流動會引起流體流量的不均勻分布，進而影響加熱爐裝置的運行效率。通過分析DN450管道的整體液相體積分數(shù)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，氣液兩相在進入加熱爐爐管之前流動便發(fā)生了較大的波動，尤其在經(jīng)過彎頭處，說明加熱爐入口管道處的流動狀態(tài)波動最大。進一步分析水平管不同截面處的液體體積分數(shù)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，水平放置的管道發(fā)展段穩(wěn)定距離達到7 m（16 D）后，管流基本達到均勻穩(wěn)定。

楊浩(1989-),中石化濟南分公司,男,山東曹縣,本科,助理工程師,機械工程