基于CFD的噴射分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

侯亞飛，商先永，李 偉，薄守石，孫蘭義

(中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

石油是一種非常重要的戰(zhàn)略資源，同時(shí)也是不可再生資源，全球常規(guī)石油資源的儲(chǔ)量約為430～570 Gt，而非常規(guī)石油資源，包括重質(zhì)原油、超重原油、油砂等的儲(chǔ)藏量約為1.1×1012t，因而從數(shù)量上看，非常規(guī)石油資源的儲(chǔ)量為常規(guī)原油的2～2.7倍[1]。到目前為止，世界主要產(chǎn)油國(guó)已經(jīng)進(jìn)入到開(kāi)發(fā)中后期，重質(zhì)化和劣質(zhì)化是世界原油的趨勢(shì)[2-3]。因而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，重油加工比例將會(huì)越來(lái)越大，提高重油加工能力刻不容緩。加氫精制和加氫裂化都可以改善油品質(zhì)量，降低油品的硫含量，因而對(duì)重油加氫相關(guān)技術(shù)的研究一直是重點(diǎn)，主要包括高性能催化劑的研制、開(kāi)發(fā)新型高效的加氫組合工藝及其高效加氫內(nèi)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)等。

加氫反應(yīng)主要在固定床加氫反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，固定床加氫反應(yīng)器作為加氫裝置的核心設(shè)備，其內(nèi)部主要的內(nèi)構(gòu)件有入口擴(kuò)散器、氣液分配盤(pán)、積垢籃筐、急冷箱和催化劑床層支撐盤(pán)等[4]。氣液分配盤(pán)是加氫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件中比較重要的一種，良好的性能是反應(yīng)物料達(dá)到徑向和軸向均勻分布的關(guān)鍵[5]。氣液分配盤(pán)由單個(gè)分配器按照一定的排列方式組合而成，分配器按照工作原理可分為抽吸型、溢流型、噴射型和組合型。其中噴射型分配器氣液操作彈性高，抗塔板傾斜能力強(qiáng)，分配效果好，現(xiàn)已成為高效內(nèi)構(gòu)件的代名詞，而目前針對(duì)噴射分配器的相關(guān)研究較少。本研究借助計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)噴射分配器進(jìn)行流體力學(xué)模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)分配器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高其綜合性能。

1 噴射分配器結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

圖1 噴射分配器結(jié)構(gòu)示意

噴射分配器主要由蓋板、進(jìn)氣孔、上噴嘴和下噴嘴構(gòu)成[6]，其總體結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。正常工作時(shí)，分配盤(pán)上方的液體在塔盤(pán)上積累形成一定的液位，分配器上方具有進(jìn)氣孔，其結(jié)構(gòu)為跑道狀，即上下為半圓結(jié)構(gòu)，中間為矩形結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。氣相通過(guò)進(jìn)氣孔進(jìn)入分配器內(nèi)部，在上噴嘴處由于氣體流通面積變小，氣速增大，在降液管內(nèi)外形成一定的壓差，因而會(huì)產(chǎn)生抽吸作用。由于分配器溢流孔的開(kāi)孔方向具有一定的切向角度，因而塔盤(pán)上的液體被抽吸進(jìn)入中心管時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，在管內(nèi)液體被破碎為液滴，氣液經(jīng)過(guò)變徑管加速、分散、霧化后，噴灑在下方的催化劑床層上。

2 模型驗(yàn)證

由于分配器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)復(fù)雜，因而選擇正確的流體力學(xué)模型是CFD計(jì)算的前提和基礎(chǔ)，不同的流體力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可能相差很大。華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種氣液分流式分配器，設(shè)計(jì)并搭建了冷模實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)氣液分流式分配器在自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了冷模實(shí)驗(yàn)研究[7]。本研究通過(guò)數(shù)值模擬考察分配器在實(shí)驗(yàn)中不同工況下的壓降，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確保所選流體力學(xué)模型的正確性。

2.1 流體力學(xué)模型

根據(jù)加氫反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的情況，作如下假設(shè)[8]：①氣液兩相為不可壓縮的牛頓流體，流動(dòng)形式為湍流；②不考慮兩相之間的質(zhì)量傳遞；③氣液兩相在流動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生相變；④氣液兩相之間壓力相同，接觸界面壓降可以忽略不計(jì)。

2.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

氣液分流式分配器的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，具體尺寸詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

圖2 分配器結(jié)構(gòu)示意

圖3 三維模型與網(wǎng)格劃分示意

2.3 邊界條件

采用空氣-水體系，空氣和水的物性采用Fluent軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)，水和空氣的密度(20 ℃)分別為998.2 kgm3和1.225 kgm3，黏度(20 ℃)分別為1.003 mPa·s和0.017 9 mPa·s。模擬采用實(shí)驗(yàn)中的5個(gè)工況，如表1所示。計(jì)算域直徑與實(shí)驗(yàn)裝置尺寸相同，均為280 mm。計(jì)算域邊界條件為：進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口，連續(xù)相為空氣，分散相為水，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，壓力和速度的耦合算法采用SIMPLE算法，三維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，所有方程收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.001，取150 s的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)所有方程的殘差曲線(xiàn)數(shù)值均持續(xù)穩(wěn)定在0.001以下。

表1 不同操作工況

2.4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比■—實(shí)驗(yàn)結(jié)果； ●—模擬結(jié)果

將5個(gè)工況下的分配器壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，分配器壓降模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明所選流體力學(xué)模型準(zhǔn)確。

3 噴射分配器數(shù)值模擬

3.1 操作條件

實(shí)際加氫反應(yīng)器內(nèi)部為油和氫氣，因此模擬均基于油和氫氣展開(kāi)。處理量和操作條件均參考文獻(xiàn)[9]。文獻(xiàn)中的分配器形式為CZII型，中心管內(nèi)徑為69 mm，分配盤(pán)上安裝139個(gè)分配器，根據(jù)開(kāi)孔率相同的原則，換算成噴射分配器的安裝數(shù)目為236個(gè)。單分配器的處理量根據(jù)操作條件折合到單個(gè)分配器的承受量計(jì)算。操作條件為：溫度330 ℃，壓力8.2 MPa，氣液總處理量5.13 m3h，計(jì)算域橫截面積為0.141 2 m2，則可計(jì)算得到進(jìn)口氣液速度為0.010 1 ms，液相分率為0.044 78。油氣的液相和氣相密度(330 ℃)分別為691.90 kgm3和13.25 kgm3，黏度(330 ℃)分別為0.225 3mPa·s和0.013 5mPa·s。

3.2 結(jié)果分析

評(píng)價(jià)分配器的性能主要從操作彈性、壓力降和分配的均勻度來(lái)考慮，其中分配均勻度最重要，可從兩方面考慮，一是液體噴灑的范圍，二是液體流率沿徑向的峰值，液體噴灑的范圍越寬，峰值越小，則分配器的分配性能越好[10]。通常情況下加氫裝置中分配器下方200 mm處為催化劑床層，因此，考察分配器下方200 mm處的液體分布情況。圖5和圖6分別為沿徑向液相速度和液相分率曲線(xiàn)。

圖5 分配器下方200 mm處的液體速度徑向分布

圖6 分配器下方200 mm處的液體分率徑向分布

經(jīng)過(guò)后處理得到操作條件下分配器的模擬壓降為1 954 Pa，由分配器液相分率分布可以計(jì)算得到噴灑面積為0.050 6 m2，此外也可看出液相分布比較集中。從圖5液相速度分布可以看出，速度分布梯度變化較大。為了更精確地定量表示液體分布的均勻性，引入液體分布不均勻度的概念，計(jì)算式[9]如下：

(1)

4 噴射分配器優(yōu)化分析

4.1 進(jìn)氣孔優(yōu)化

在前面原始構(gòu)型模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，分配器上方具有6個(gè)跑道狀的進(jìn)氣孔，先考慮將進(jìn)氣孔傾斜一定的角度，進(jìn)而使進(jìn)入孔的氣體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這樣可以與液體充分接觸混合，將液體破碎為液滴，以期獲得更好的分配效果。在此考慮3種情況，分別將跑道狀的進(jìn)氣孔傾斜10°，20°，30°，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 改進(jìn)的分配器結(jié)構(gòu)

圖8為分配器下方200 mm處截面液相分率云圖。由圖8可以看出，與原始構(gòu)型相比，改進(jìn)的分配器構(gòu)型中分配器噴灑面積明顯有所擴(kuò)大，其中傾斜10°時(shí)中心區(qū)域液相峰值偏高，傾斜20°和30°時(shí)中心區(qū)域峰值相對(duì)較低，噴灑面積也更大，因而相比于10°時(shí)分配性能有所提高。

圖8 分配器下方200 mm處截面液相分率云圖

由式(1)計(jì)算幾種不同分配器的分布不均勻度，結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，改進(jìn)的3種分配器的分布不均勻度均有所減小，其中傾斜20°時(shí)分布不均勻度最小，為0.196，相比于原始構(gòu)型減小了13.06%。因而確定進(jìn)氣孔傾斜20°。

圖9 不同分配器分布不均勻度

4.2 噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在前文基礎(chǔ)上，針對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，思路是將原來(lái)分配器下方的噴嘴結(jié)構(gòu)去掉，改成半球狀噴嘴，在半球上沿圓周均勻開(kāi)孔，其中半球最下方不開(kāi)孔，如圖10所示。考察不同開(kāi)孔方式對(duì)分配器分配性能的影響。結(jié)構(gòu)1分配器半球狀噴嘴沿圓周開(kāi)3排Φ5 mm的圓孔，由下至上個(gè)數(shù)分別為8，10，12；結(jié)構(gòu)2分配器半球狀噴嘴沿圓周開(kāi)2排Φ5 mm的孔，由下至上個(gè)數(shù)分別為10和12；結(jié)構(gòu)3分配器半球狀噴嘴也沿圓周開(kāi)2排孔，其中上排孔為4個(gè)Φ10 mm的孔，下排為8個(gè)Φ5 mm的孔。

圖10 不同噴嘴結(jié)構(gòu)的分配器

圖11為不同噴嘴結(jié)構(gòu)的分配器液相分率云圖。從圖11可以看出：改進(jìn)的3種結(jié)構(gòu)比原始構(gòu)型噴灑面積有所增大；改進(jìn)1構(gòu)型效果不好，液相分率在中心區(qū)域達(dá)到0.006 5，匯集現(xiàn)象比較嚴(yán)重；改進(jìn)2構(gòu)型分配器噴灑面積明顯變大，液相分配也較均勻；改進(jìn)3構(gòu)型與原始構(gòu)型相比，噴灑面積最大(0.141 2 m2)，增大了179.05%，覆蓋了整個(gè)計(jì)算域，液相分配也更加均勻，此外經(jīng)過(guò)后處理得到結(jié)構(gòu)3的壓降為2 149.4 Pa，相比于原始構(gòu)型增大了10%。

圖11 不同噴嘴結(jié)構(gòu)的分配器液相分率云圖

由式(1)計(jì)算4種構(gòu)型的分布不均勻度，結(jié)果見(jiàn)圖12。從圖12可以看出，改進(jìn)1構(gòu)型的分配器分布不均勻度比20°構(gòu)型稍大，為0.199，改進(jìn)2構(gòu)型和改進(jìn)3構(gòu)型分布不均勻度與20°構(gòu)型相比均有所下降，分別為0.157和0.095，不均勻度相比分別降低了19.89%和51.53%，因而改進(jìn)3構(gòu)型分配器分配性能最好，與原始構(gòu)型相比，分布不均勻度降低了57.96%。

圖12 不同噴嘴結(jié)構(gòu)的分配器分布不均勻度結(jié)果

4.3 操作彈性分析

操作彈性是衡量分配器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，意為進(jìn)料的氣液流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)分配器的分配性能狀況，在此考察氣液流量波動(dòng)對(duì)改進(jìn)的分配器性能的影響。經(jīng)過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)工況的-80%～+5%范圍內(nèi)，改進(jìn)的分配器分配性能很好，模擬結(jié)果如圖13所示。

圖14為不同負(fù)荷下的不均勻度。從圖14可以看出，改進(jìn)的分配器在-80%負(fù)荷下的分布不均勻度為0.169，在+5%負(fù)荷下的不均勻度為0.026，處于改進(jìn)分配器基礎(chǔ)工況的分布不均勻度之間，且均小于原分配器在基礎(chǔ)工況下的分布不均勻度0.226，相比分別減小了25.22%和88.50%，因而可認(rèn)為改進(jìn)分配器的操作彈性范圍為-80%～+5%。

圖13 分配器下方液相分率云圖

圖14 分布不均勻度結(jié)果

4.4 抗塔板傾斜能力分析

抗塔板傾斜能力是分配器設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在分配器的安裝過(guò)程中，由于人為因素和設(shè)備因素，分配盤(pán)或多或少不會(huì)保持絕對(duì)水平，一般都會(huì)有一定的傾斜角度，因而分配器的抗塔板傾斜能力顯得尤為重要。在分配器彼此之間高度不一致時(shí)，考察其抗塔板傾斜能力。模擬方法參考文獻(xiàn)中的試驗(yàn)方法，將2個(gè)相同的分配器安裝在塔板上，兩個(gè)分配器的安裝高度相差10 mm，用來(lái)模擬實(shí)際生產(chǎn)操作中的最差工況[11]。在兩個(gè)分配器的出口分別監(jiān)測(cè)液體流量，通過(guò)考察兩個(gè)分配器的流量差異來(lái)反映其抗塔板傾斜能力的強(qiáng)弱。抗塔板傾斜三維建模結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 三維建模結(jié)構(gòu)

定義塔板傾斜敏感度系數(shù)βQL來(lái)表征分配器的抗塔板傾斜能力，其計(jì)算式[11]如下：

(2)

式中，QLow和QHigh分別為安裝在低位置和高位置的分配器單位時(shí)間流過(guò)的液體體積。通過(guò)定義式可以看出，βQL為0表示塔板傾斜與否對(duì)于分配器的分配性能沒(méi)有影響，βQL越大則表示抗塔板傾斜能力越差。

改進(jìn)的分配器QLow為8.90×10-5m3s，QHigh為3.72×10-5m3s，帶入式(2)計(jì)算得到βQL為0.410。原型分配器QLow為8.95×10-5m3s，QHigh為3.67×10-5m3s，同樣可計(jì)算得到βQL為0.418，因而相比之下改進(jìn)的分配器與原分配器相比提高了2%。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)噴射分配器原始構(gòu)型進(jìn)行模擬，得到其壓降為1 954 Pa，分布不均勻度為0.226，噴灑面積為0.050 6 m2。

(2)經(jīng)過(guò)模擬優(yōu)化從噴灑面積、分配均勻度、壓降等方面進(jìn)行綜合比較可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的分配器性能有較大幅度提高。最終確定分配器進(jìn)氣孔的數(shù)目為6個(gè)，與中心線(xiàn)的夾角為20°，噴嘴部分大孔為4個(gè)Φ10 mm的圓孔，小孔為8個(gè)Φ5 mm的圓孔。

(3)經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的分配器，分布不均勻度降低57.96%，噴灑面積增大179.05%，壓降增大10%，在基礎(chǔ)工況的-80%～+5%下操作性能較好，抗塔板傾斜能力提高2%。