精餾塔變徑段布局方式研究

陳林鳳，馮清付，江振飛，王在良，李伯奎

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安 223002；2.淮陰工學院，江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安223003）

0 引言

填料精餾塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備，由于生產能力大、分離效率高、壓降小、持液量小以及操作彈性大等優點在化工行業得到廣泛的應用[1-3]。氣液相流量是影響填料層壓差的重要因素，當精餾塔各塔段氣液相流量的差異不大時，通常會把精餾塔設計成塔徑相等的等徑餾塔。而如果不同塔段的氣液相流量的差異較大時，則往往會考慮將精餾塔設計成直徑不等的變徑塔[4-5]。不同塔段計算后采用不同的塔徑，可以提高熱力學性能，避免低負荷操作時出現偏流的情況，提高填料效率。變徑段位置主要有4種，如圖1所示。通過研究變徑段在不同位置時精餾塔內流場分布，為設計人員選擇合適的布局方式提供了依據。

圖1 變徑段位置及類型

1 數學模型

1.1 控制方程

采用標準k-ε模型建立求解精餾塔內流動的數學模型，進行計算時假設氣體為可壓縮空氣，液體為不可壓縮水，氣、液兩相按充分發展的湍流處理，入口邊界條件采用恒速度入口，出口邊界條件采用恒壓力出口，壁面邊界壁面條件設為絕熱無滑移。其控制方程如下：

質量守恒方程為：

其中，τij——應力張量。

1.2 模型選擇

標準k-ε湍流模型是目前應用非常廣泛的兩相流模型，因為其簡單、精度較高等優點，在流場分析中備受應用。標準k-ε湍流模型能夠獲得較為精確的結果。

動量守恒方程：

式中，Gk——為湍流動能生成；

Gb——為浮力產生項；

σε、σk——分別代表ε和k的Prandtl湍流常數；Sε和Sk——為自定義函數。

2 物理模型

2.1 采用的物理模型

氣、液兩相按充分發展的湍流處理，入口邊界條件采用恒速度入口，出口邊界條件采用恒壓力出口，壁面邊界壁面條件設為絕熱無滑移。做氣相單向流模擬時，底部為進口，上部為出口，做液相單相流模擬時，上部為進口，底部為出口，建立了包括變徑段筒體在內的物理模型，如圖2所示。

圖2 物理模型

2.2 網格劃分

建模型導入ICEMCFD中進行網格劃分，填料部分采用多孔介質模型代替，劃分時進行加密處理，最終得到的網格劃分圖如圖3所示。

圖3 網格劃分圖

3 數值模擬結果

3.1 氣相單向流下但內流場分布情況

圖4為氣相單向流作用下塔內速度云圖，從（a）、（d）兩個云圖可以看出，在變徑段上方，精餾塔壁面處氣相速度最小，由于速度和阻力成正比關系，因此，變徑段筒體采用（a）、（d）圖布局方式，導致的壁流效應較大，嚴重影響精餾塔分離效率。而（b）、（c）圖壁面處氣相速度最大，在一定程度上能夠起到減少壁流的作用。

圖4 氣相單向流下塔內速度云圖

圖5為氣相單向流作用下塔內壓力云圖，變徑段上（下）方，（a）、（b）、（c）、（d）云圖氣相壓力變化都比較均勻?？傮w上，由下到上看，（a）圖氣相壓力變化：小→大→小；（b）、（c）云圖氣相壓力變化：大→小，（d）云圖氣相壓力變化：大→小→大；顯然（a）、（d）圖氣相壓力波動較大，會對精餾塔分離效率產生較大影響，而（b）、（c）、圖氣相壓力變化較為均勻，波動較小。

圖5 氣相單向流下塔內壓力云圖

3.2 液相單向流下塔內流場分布情況

圖6 為液相單向流作用下塔內速度云圖，在變徑段上方，（e）、（f）、（g）、（h）的速度變化都比較均勻，液體對壁面的作用效果基本相似；在變徑段下方，（g）圖壁面液相速度小，相同時間壁流較小，同時由于塔徑的突然變大，使得塔上方落下的液體絕大多數向塔內部靠攏，也能起到減少壁流的作用；（h）圖壁面液相速度大，相同時間壁流大，液體壁流效應嚴重，同時由于塔徑突然變小，液體流通通道受阻，進一步加劇液體壁流。

圖6 液相單向流下塔內速度云圖

圖7 為液相單向流作用下塔內速度云圖，變徑段上（下）方，（e）、（f）、（g）、（h）云圖壓力變化都比較均勻。總體由上到下看，（e）、（h）圖液相壓力變化：大→?。唬╢）、（g）云圖液相壓力變化：大→小→大；顯然（g）、（h）圖液相壓力波動較大，會對精餾塔分離效率產生較大影響，而（e）、（h）圖氣相壓力變化較為均勻，波動較小。

圖7 液相單向流下塔內壓力云圖

4 結論

通過本文的研究得到以下結論：

（1）氣相單向流作用下，對于變徑段大端朝上的布局方式，變徑段上方壁面壁流效應嚴重，總體壓力波動較大，對精餾塔分離效率影響大，而變徑段大端朝下的布局的方式，能夠有效減少壁流，并且總體壓力波動較小。

（2）液相單向流作用下，對于變徑段大端朝上的布局方式，變徑段下方壁面壁流效應嚴重，壓力波動較小，而變徑段大端朝下的布局的方式，能夠有效減少壁流，但是總體壓力波動較大。

總體而言，采用變徑段采用大端朝下的布局方式比大端朝上的布局方式，在減少壁流效應以及壓力變化均勻性方面要好。