三維數值分析聚丙烯D502流化床干燥器

陳志敏 李 莉 馬天鑫 張萬堯 梁元月

（1.中國石化工程建設公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

目前聚丙烯工藝最成熟、運用最多的是環管法， 其中D502流化床干燥器是關鍵生產設備之一。 為保證聚丙烯裝置穩定、安全且經濟運行，研究D502流化床干燥器內部的流動情況至關重要。

工藝計算、分布板和流化床構件的結構參數確定是設計D502流化床干燥器的關鍵內容。分布板的結構形式不僅決定干燥器的工藝性能，而且直接影響聚丙烯裝置的運行周期。 國內許多學者對D502流 化 床 干 燥 器 進 行 了 理 論 計 算 分 析［1，2］。為了進一步系統地研究D502流化床干燥器內部流動特征，筆者運用CFD技術對D502流化床干燥器進行三維數值分析，重點研究分布板舌形孔的結構參數，為進一步改進干燥器結構提供依據。

1 數值模擬方法

1.1 模型建立

以目前國內在用的3種不同結構參數（孔高×孔寬）的舌形孔（圖1）為研究對象，分別為2.0mm×6.0mm（A型孔）、2.5mm×6.0mm（B型孔）和2.9mm×9.0mm（C型孔），著重分析分布板舌形孔為B型孔時，干燥器的內部流場。

圖1 舌形孔結構示意圖

如圖2所示，采用非結構化網格［3］對干燥器的三維模型進行劃分，并完成網格無關性處理。 邊界條件分別設置為壓力進口和壓力出口，采用標準壁面函數。

圖2 干燥器的三維模型和網格劃分

1.2 控制方程

對流體進行理想化假設，認為是不可壓縮介質，所以方程式采用不可壓縮流體方程式，并且不考慮能量方程。

連續方程的表達式為：

動量方程即N-S方程， 不可壓黏性流體動量方程的微分方程式為：

雷諾時均方程是由N-S方程經過時均化處理得到，具體的表達式為：

湍流模型采用標準k-ε模型， 湍動能k和耗散率ε的表達式分別為：

標準k-ε模型的湍流渦黏性系數vt、 湍動能k和耗散率ε的輸運方程可表示為：

式中Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的生成項，σk和σε分別為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數，輸運方程中的常數是通過對典型流動的實驗結果和算例結果進行最佳擬合后得到，分別為：Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 結果分析

2.1 3種舌形孔的流場分析

圖3為3種舌形孔孔流速度與壓差的關系曲線。 由圖3可看出，對于同一孔，孔流速度隨壓差的增大而增大，基本呈線性分布趨勢；在同一壓差下，A型孔和B型孔的孔流速度明顯高于C型孔，說明孔寬和孔高都增大， 即孔截面積增大時，孔流速度自會降低。 另外，A型孔和B型孔的孔流速度相差不大，B型孔略微高于A型孔， 說明孔截面積相差不大時，其孔流速度與截面積大小不成比例。

圖3 3種舌形孔孔流速度與壓差的關系曲線

圖4為3種舌形孔在5、10、17kPa壓差下的壓力云圖。 由圖4可看出，壓力在分布板下方逐漸增大并達到最高值，通過舌形孔時，壓力逐漸降低達到很小的值。 如此大的壓力變化梯度，保證了氣流通過孔的速度。

圖4 3種舌形孔在5、10、17kPa壓差下的壓力云圖

圖5為5、10、17kPa壓差下流體流經3種舌形孔時的速度云圖。 由圖5可看出，流體在分布板下方流速較小，通過舌形孔時以噴射狀流出（此時速度最大），形成非常大的速度梯度，有利于分布板上的物料形成流態化， 可提高設備的干燥效率。

圖5 5、10、17kPa壓差下流體流經3種舌形孔時的速度云圖

2.2 干燥器內部流場分析

對分布板舌形孔為B型孔的干燥器進行流場分析。 圖6為x=0截面速度矢量圖。 由圖6可看出，從進口進入的流體在分布板以下基本均勻流動，通過舌形孔口時速度最大且流動方向有所改變。

圖6 x=0截面速度矢量圖

圖7為x=0截面的壓力和速度云圖。 由圖7a可看出，流體通過舌形孔時壓力逐漸降低。 由圖7b可看出， 流體在分布板以下的流動狀況基本均勻，只在很小區域出現回流和紊流，對流體流動影響不大；流體通過舌形孔時速度逐漸增大形成大的梯度變化， 使設備內部物料形成強的流態化，進而提高設備的干燥效率。

圖7 x=0截面的壓力和速度云圖

圖8為正視分布板流體流動矢量圖。 由圖8a可看出，流體流動隨分布板上舌形孔的開孔方向變化而變化，流動形式為先順時針流動，然后沿徑向流向中心， 物料在設備內的流動時間被延長，增強換熱效果，提高干燥效率，該流體流動狀態與理論設計的（圖8b）完全一致。

圖8 正視分布板流體流動矢量圖

3 結束語

通過運用CFD計算流體動力學技術對D502流化床干燥器進行數值分析，直觀地表征了其內部流動狀態。 著重對比分析目前實際運用的3種分布板舌形孔在不同壓差下的流場分布：流體通過舌形孔時形成非常大的壓力變化梯度，利于物料形成流態化； 孔的出流速度與截面積不成比例。 分析結果可為進一步優化干燥器結構提供指導。