六溢流塔板氣液流場模擬

劉萌萌

(天津美加恒升科技發(fā)展有限公司，天津 300380)

塔器作為分離設(shè)備，是化工、煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，分為板式塔和填料塔。板式塔有多種溢流形式。在實際大規(guī)模化工裝置中，多溢流塔板因可以承受較大的液相負荷而得到廣泛應(yīng)用，其中雙溢流塔板應(yīng)用最為廣泛。雙溢流塔板完全對稱，氣液分配均勻，但是處理量相對較小，因此很多大型裝置中采用三溢流或四溢流塔板，對于液量特別大的塔器，需采用六溢流結(jié)構(gòu)。六溢流塔板可以縮短塔板流道長度，有效減小塔板上的液面落差，從而使塔板操作更加穩(wěn)定。但因六溢流塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難實現(xiàn)氣液兩相在塔板上的均勻分配，如果設(shè)計不合理，將導(dǎo)致塔板傳質(zhì)效率降低。張寶樹等[1]對比了等鼓泡面積法和等通道長度法在六溢流塔板設(shè)計中的氣液分配情況，認為等通道長度法與等鼓泡面積法相比更易實現(xiàn)氣液分配一致，且加工和安裝比較容易；孫蘭義等[2,3]通過對比三溢流和四溢流塔板的不同設(shè)計方法的氣液分配，也認為等通道長度法優(yōu)于等鼓泡面積法。

塔板上流體的流動狀況對塔板效率有著直接的影響，尤其是塔板上液體的返流、滯留都會顯著降低塔板的分離效率，因此掌握塔板上流體的分布情況對塔板設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。但塔板上氣液流動狀態(tài)復(fù)雜，目前的實驗監(jiān)測手段很難開展較深入的研究，利用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)模擬成為一種行之有效且省時省力的研究方法。近年來，針對篩板、浮閥、垂直篩板等結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)研究非常多，但大都專注于傳質(zhì)元件本身性能，多溢流的模擬并不多見，趙丹[4]采用二維模型模擬了四溢流塔板在不同工況下氣液流動及對應(yīng)的傳質(zhì)效率，但并未給出三維模擬結(jié)果。六溢流塔板塔徑較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對計算機硬件要求較高，計算時間過長，故鮮有用CFD方法模擬六溢流塔板氣液流場的報道。作者以丙烷脫氫裝置中產(chǎn)品分離塔為研究對象，采用商業(yè)軟件ICEM建立了六溢流塔板的三維模型，并采用CFX 14.5模擬了塔內(nèi)的氣液相分布情況，對塔板的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

常采用的兩相流模型包括歐拉雙流體模型、顆粒軌道模型等，不同模型有著不同的適用體系。當分散相體積分率相對較高且連續(xù)地分布于主相中時，歐拉雙流體模型比較適用。精餾塔塔板上氣相雖為分散相，但其體積分率較高，塔板上方鼓泡區(qū)的混合物氣液相貫穿，因此作者采用能更好描述塔板上流動狀態(tài)的歐拉雙流體模型進行模擬，模型基本方程如下：

氣相連續(xù)性方程：

(1)

液相連續(xù)性方程：

(2)

氣相動量守恒方程：

?·(αGρGvGvG)=-αG?pG+?·(αGμeff,G(?vG+(?vG)T))-MLG

(3)

液相動量守恒方程：

?·(αLρLvLvL)=-αL?pL+?·(αLμeff,L(?vL+(?vL)T))-MLG

(4)

相體積分率方程：

αG+αL=1

(5)

壓力限制方程：

PG=PL=P

(6)

上式中αG和αL分別表示氣相體積分率和液相體積分率，SLG代表氣液兩相間質(zhì)量傳遞源項，ρG和ρL分別為氣相和液相的密度，vG和vL分別為氣相和液相的速度，μeff,G和μeff,L分別為氣相和液相的有效黏度，PG和PL分別為氣相和液相的壓力。MLG是兩相間動量傳遞源項，它直接反映了氣液兩相相間相互作用的動量傳遞情況。塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)，多認為是氣體以氣泡群形式穿過塔板上的液層，兩相間的動量傳遞主要通過兩相間的相互作用力來完成，兩相間作用力主要有曳力、升力和虛擬質(zhì)量力[5]等，其中由于升力和虛擬質(zhì)量力對塔板模擬結(jié)果影響不大，模擬中通常被忽略，曳力系數(shù)CD常采用Fischer 和Quarini[6]提出的常數(shù)0.44。

塔板模擬常用的湍流模型有標準k-ε模型、Wilcox k-ω 模型、Shear Stress Transport (SST)模型，經(jīng)過以往模擬與實驗的對比，本模擬中湍流模型選用精度較高的SST模型來封閉求解氣液兩相的方程。流體力學(xué)方程以及傳質(zhì)方程離散時，采用高階離散格式，湍流方程采用一階迎風(fēng)格式，并采用時間推進的全隱式多方程耦合求解線性方程組。目標均方根殘差為1.0×10-4。

1.2 幾何建模

以國內(nèi)某大型丙烷脫氫裝置產(chǎn)品分離塔為對象建立模型，塔徑為9 200 mm，塔板間距485 mm，采用本公司自有軟件對該塔進行設(shè)計，塔板上布置梯形固閥，建立模型如圖1。模型主要模擬中間一層塔板的流體流動情況，包括兩個邊降液管和兩個偏心降液管，降液管按常規(guī)設(shè)計進行建模，塔板上僅布置固閥，未考慮特殊結(jié)構(gòu)。

圖1 六溢流塔板三維建模

因模型較大，考慮到計算機硬件及模擬時間的限制，只針對1/4塔進行模擬，如圖2所示。

圖2 物理模型及邊界條件

分區(qū)域?qū)δＰ瓦M行網(wǎng)格劃分，因塔板上方閥孔位置為主要傳質(zhì)區(qū)，因此對塔板附近的網(wǎng)格進行加密劃分，如圖3所示，總網(wǎng)格數(shù)568萬。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

如圖2所示物理模型及邊界條件，上層降液管作為液相入口，設(shè)置為質(zhì)量入口；氣相入口為下層塔板開孔區(qū)，設(shè)置為速度入口。入口的操作條件按閥孔氣速進行輸入，假定入口處速度分布均勻，且垂直于入口平面。頂部對應(yīng)塔板區(qū)域為氣相出口，底部下層降液管出口為液相出口，出口均設(shè)置為壓力出口，假設(shè)流動已充分發(fā)展，氣相出口壓力為 0 kPa(表壓)，液相出口壓力為 150 Pa(表壓)。塔壁、塔板及固閥壁面采用無滑移壁面條件，近壁區(qū)處理方法選用SST模型默認的Automatic近壁處理方法。液相出口以上填充一定高度液柱作為初始條件，起到液封作用，以縮短收斂時間，塔內(nèi)其他區(qū)域均為全氣相，模型主要參數(shù)見表1。

表1 模型主要參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 六溢流塔盤濃度場分布

圖4和圖5分別為豎直和水平截面上液相體積分率分布云圖。從水平截面云圖可以看出，在邊降液一側(cè)，由于弓形區(qū)較長，液層堆積嚴重，相對較厚，因此導(dǎo)致圖4所示的該區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的漏液現(xiàn)象。隨著塔器直徑越來越大，塔內(nèi)件設(shè)計中的放大效應(yīng)主要體現(xiàn)在氣液相分布均勻性方面，通過流體力學(xué)計算可以較直觀地發(fā)現(xiàn)其中的問題。對于以上問題，在設(shè)計中需采用輔堰及柵欄堰對該處降液管進行特殊設(shè)計，以實現(xiàn)液相在塔板上的均勻分布，減少液相滯留區(qū)的存在，進而更好地發(fā)揮固閥的傳質(zhì)效率。輔堰在多溢流塔板設(shè)計中較為常見，多用于邊降液管，在六溢流塔板中，由于塔徑較大，除邊降液管外，三降液的偏心降液管也需要考慮輔堰。柵欄堰利用凸起的柵欄阻擋部分液相通道，縮短了出口堰的實際有效堰長，多用于中心降液管或偏心降液管靠近塔中間的部分，可解決降液管不同位置溢流強度不一致的問題。除弓形區(qū)存在液相滯留問題外，可以看出塔盤上液相體積分離分布比較均勻，證明我們所采用的計算方法可以使六溢流塔板各鼓泡區(qū)上氣液相分布趨于平均。

圖4 豎直截面上液相體積分率分布云圖

圖5 水平截面上液相體積分率分布云圖

2.2 六溢流塔盤速度場分布

圖6為氣相速度矢量圖，可以看出氣相在塔板上分布比較均勻，閥孔氣速與計算值接近，約1 m·s-1。由于降液管傾斜段下方已排有閥孔，加之傾斜段的導(dǎo)流，該區(qū)域氣相流動到上層塔板后會在相應(yīng)位置出現(xiàn)氣相集中區(qū)(最高氣速1.5～2 m·s-1)，因此該區(qū)域液層會相對較薄。工程設(shè)計時，降液管下方需采用專用鼓泡內(nèi)件以實現(xiàn)對氣相的導(dǎo)流并減小液體沖擊漏液。

圖6 豎直截面上氣相速度分布矢量圖

2.3 壓力分布云圖

圖7為塔內(nèi)豎直截面上壓力分布云圖，可以看出，模擬所得該層塔板壓降約280～320 Pa。工程設(shè)計中，塔板壓降分為干板壓降和液層阻力兩部分，計算模擬壓降較低的原因可能是弓形區(qū)及第一排閥漏液導(dǎo)致模擬液層比計算值稍低，因此液層阻力也比計算值小一些。

圖7 豎直截面上壓力分布云圖

3 結(jié)論

作者以實際項目中的大型板式塔為對象進行建模，模擬了六溢流塔板上的氣液分布狀態(tài)，可以直觀地看到弓形區(qū)液相的滯留以及氣相集中區(qū)的存在。針對大型板式塔六溢流流場的模擬結(jié)果，對塔板的設(shè)計進行了優(yōu)化：(1)弓形區(qū)塔板進行導(dǎo)流排布且降液管設(shè)計輔堰和柵欄堰結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)液相的平均分配并減小弓形區(qū)出現(xiàn)液相滯留區(qū)的可能；(2)降液管下方需采用專用鼓泡內(nèi)件以實現(xiàn)對氣相的導(dǎo)流并減小沖擊漏液。該塔目前已順利開車且運行狀態(tài)良好。由此可見，在進行大型塔器塔內(nèi)件的設(shè)計時，采用CFD模擬作為輔助工具，通過直觀的流場數(shù)據(jù)分析塔板設(shè)計的合理性，使塔板的大型化設(shè)計更加高效和準確。