隔板塔氣體調配裝置數值模擬及實驗研究

陳文義，孫姣，葛化強，陳楠，陳祥武

（1河北工業大學化工學院，天津300130；2河北工業大學工程流動與過程強化研究中心，天津 300130；3中芯國際集成電路制造有限公司，北京 100176；4大港油田煉達集團有限公司，天津 300270）

隔板塔氣體調配裝置數值模擬及實驗研究

陳文義1,2，孫姣1,2，葛化強1,2，陳楠3，陳祥武4

（1河北工業大學化工學院，天津300130；2河北工業大學工程流動與過程強化研究中心，天津 300130；3中芯國際集成電路制造有限公司，北京 100176；4大港油田煉達集團有限公司，天津 300270）

針對隔板塔中隔板兩側氣體分配比難以調節的問題，提出了一種新型隔板塔氣體調配裝置。利用計算流體力學軟件STAR-CCM+對該裝置的性能進行了模擬分析，并經實驗研究對模擬結果進行驗證；對不同塔徑下升氣槽個數進行了模擬研究。結果表明：該氣體調配裝置能夠有效地調節氣體在隔板兩側的分配，并且氣體通過該裝置后分布較均勻，成功實現了氣相在隔板塔內的分配控制，實驗結果和模型模擬值符合良好。

隔板塔；氣體調配裝置；計算流體力學；分布；實驗驗證

引 言

精餾是化工生產中常用的分離手段,但精餾過程能耗巨大,精餾過程的節能一直是研究的熱點[1-3]。熱偶精餾是由主塔和副塔組成的復雜塔序，可以降低過程中有效能損失，提高熱力學效率[4-7]。隔板塔是在普通精餾塔內部設置一豎直隔板,將精餾塔分成上部公共精餾段、下部公共提餾段、由隔板隔開的預分離段和側線采出段4部分，它是完全熱偶精餾塔的一種特殊類型,在熱力學上與完全熱偶精餾塔等效[8-9]。隔板塔及組成如圖1所示。但是隔板塔結構復雜，自由度多，致使隔板塔的控制一直是制約其工業化的重要原因，其中隔板兩側的氣體分配比是非常重要的參數。研究發現，氣體分配比不僅關系著各產品的純度，也直接決定著能耗高低[10-14]。現階段主要依靠隔板在塔內的軸向位置來實現上升氣體在隔板兩側的分配，由于在實際操作中隔板位置固定及干擾因素影響，在操作運行中不能準確實現和改變氣體分配比，影響分離效率和能耗[15-16]。同時，隔板的引進對氣體的分布提出了更高要求，氣體不均勻分布將會導致氣液接觸不良，嚴重影響填料床層的流體力學特性[17]。

圖1 隔板塔及組成示意圖Fig.1 DWC configuration

針對以上問題，提出了一種新型的氣體調配裝置。對該裝置調節氣體分配比的能力，以及氣體通過該裝置后的分布均勻情況進行了數值模擬，并用實驗進行了驗證。隨后對不同塔徑下升氣槽個數進行了模擬研究，以為該氣體調配裝置的應用提供依據。

1 氣體調配裝置結構及原理

氣體調配裝置主要由閥片、升氣通道、氣體分布板、升氣槽、V型帽和降液管等組成，如圖2所示。V型帽用于收集隔板兩側的下降液體并防止液體進入升氣槽，液體經收集后通過降液管流出該裝置。塔內上升氣體進入升氣通道時，通過改變閥片的旋轉角度，改變升氣通道內的通流面積，上升氣體根據兩側阻力不同而有機地分配到兩側通道內，從而完成氣體分配比的調節，氣體隨后經過分布板和升氣槽及V型帽均勻地進入隔板兩側[18]。

圖2 氣體調配裝置實物圖及模型Fig.2 Vapour splitter

2 數值模擬

2.1 計算模型

由于本文只涉及氣相的研究，為簡化模型而將降液管忽略。本氣體調配裝置安裝在外徑為300 mm的塔體內，塔體壁厚為8 mm，計算域是高度1500 mm、直徑300 mm的圓柱區域。基于STAR-CMM+軟件，采用多面體網格對計算域進行網格劃分，網格總數為87萬，計算網格模型如圖3所示。流體為常溫常壓空氣，密度ρ=1.25 kg·m?3，黏度μ=1.81×10?5Pa·s。

圖3 計算網格模型Fig.3 Grid model

2.2 基本方程

氣體調配裝置內的氣體流動為二維不可壓縮湍流流動，氣體流經該裝置時流線多變，且受到較多阻礙，選取雷諾時均N-S方程、連續性方程和Realizablek-ε二方程模型[19]聯立求解。

雷諾時均N-S方程和連續方程

式中，u為速度矢量，m·s?1；t為時間，s；p為壓力，Pa；I為單位張量；μ為空氣分子黏度，Pa·s；μT為湍流渦黏度，Pa·s。

Realizablek-ε二方程模型

式中，ρ為流體密度，kg·m?3；μ為分子黏性系數，Pa·s；μt為湍流黏性系數，可用式（5）計算，Pa·s；k為湍動能，J·kg?1；ui為速度分量，m·s?1；xi、xj為各坐標分量，m；Prk為k的湍流Prandtl數，Prk=1.0；Gk為由平均速度梯度產生的湍動能，可用式（7）計算；ε為湍動能耗散率，m2·s?3；Prε為ε的湍流Prandtl數，Prε=1.2；Eε為自定義源項；C1、C2為系數，C1可用式（8）計算，C2=1.9。

式中，Cμ為系數，可用式（6）計算。

式中，Eij為平均應變率張量；?是角速度為ωk參考系中的轉動速率張量。

式中，η為平均流時間尺度與湍流時間尺度之比。

2.3 邊界條件

氣體入口選取在分配控制器下方300 mm處，進口采用速度進口邊界條件，氣體進口方向豎直向上，出口采用壓力出口。根據壁面不滑移假設，計算區域壁面設置為非滑移網格屬性，設置邊界層厚度為5 mm。

2.4 結果與分析

本文定義的氣體分配比為左側升氣通道與右側升氣通道的氣體流量比值，右側閥片角度為右側閥片側面與水平面所成的角度，如圖4所示。

圖4 氣體分配比及右側閥片角度定義Fig.4 Definition of vapour split and right blade angle

評價氣體均布性有各種指標，最常用的指標是氣體不均勻度[20]。氣體不均勻度越小表明氣體分布越均勻。氣體不均勻度計算如下

式中，n為軸向截面上計算氣速的點數；ui為軸向截面點i的氣速，m·s?1；為該軸向截面上平均氣速，m·s?1。計算氣體不均勻度時，在軸向截面上取等距分布的5條線，然后在每條線上選取均勻分布的測速點，共計35個，如圖5所示。

圖5 測速點選取示意圖Fig.5 Sketch of selection of measuring points

2.4.1 氣體調配裝置流場分析 保持氣體調配裝置左側閥片豎直，右側閥片偏轉一定角度，對氣體調配裝置流場進行數值模擬，圖6為氣體調配裝置內速度矢量圖。如圖6所示，氣體以較快速度均勻經過左側升氣通道，在進入分布板之前，由于流通面積增大，氣體做擴散運動，在塔壁附近產生渦流，在經過分布板后氣體重新分布均勻，在流經V型帽上端時產生渦流。在右側升氣通道內，氣體高速通過閥片和通道內壁之間的狹縫，在閥片背面產生渦流，隨后在分布板的作用下，向上均勻地流入升氣槽。由于氣體速度較高，做擴散運動時損耗較大動能，同時，渦流現象易造成氣體分布不均勻，影響傳質效率[21]，后續設計中應盡量避免產生渦流現象。

圖6 氣體調配裝置速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of vapour splitter

2.4.2 右側閥片角度對氣體分配比的影響 左側閥片始終保持豎直狀態，右側閥片角度的偏轉范圍為10°～90°，且每隔10°改變一次，考察了進口氣速分別為1.0和1.5 m·s?1時，右側閥片角度對氣體分配比的影響（圖7）。圖8為進口氣速為1.0 m·s?1時，右側閥片角度對兩側升氣通道內氣體流量的影響。

圖7 右側閥片角度對氣體分配比的影響Fig.7 Effect of right blade angle on vapour split

圖8 右側閥片角度對兩側氣體流量的影響Fig.8 Effect of right blade angle on flow rates of two sides

如圖7所示，隨著右側閥片偏轉角度增大，氣體分配比逐漸降低。在偏轉角度大于50°之后，氣體分配比變化較緩慢，這是由于此時右側通道氣體流通面積隨閥片偏轉角度改變較小，從而使右側氣體流量變化緩慢；在右側閥片偏轉角度小于50°時，該裝置對氣體分配比調節較靈敏。從圖8可以看出，右側升氣通道內氣體流量隨著右側閥片偏轉角度增大而增大，由于氣體總流量一定，左側氣體流量逐漸減小，兩側氣體流量均在右側閥片角度小于50°時變化較明顯，與圖7相符。

2.4.3 V型帽與升氣槽距離對氣體不均勻度的影響保持左側閥片呈豎直狀態，右側閥片偏轉30°，V型帽角度為50°，分別考察了V型帽與升氣槽距離為10～50 mm，進口氣速為1.2和1.6 m·s?1時，距離V型帽頂端200 mm的隔板右側橫截面上的氣體不均勻度(圖9)。從圖9可以看出，V型帽與升氣槽距離對氣體不均勻度影響顯著。隨距離增大，氣體不均勻度先減小后增大，在50 mm處達到最大。在V型帽與升氣槽距離為20 mm時，氣體不均勻度最小，氣體分布最均勻。V型帽與升氣槽距離過小會使氣體流動空間減小，氣體在離開V型帽時以較大速度分流到V型帽兩側，從而對分布均勻程度造成影響；與升氣槽距離過大會使V型帽對氣體的分布作用減弱，使氣體不均勻度增大。

圖9 V型帽與升氣槽距離對氣體不均勻度的影響Fig.9 Effect of distance between V-type cap and vapour tube on vapour split

2.4.4 V型帽角度對不同截面氣體不均勻度的影響保持左側閥片呈豎直狀態，右側閥片偏轉30°，V型帽與升氣槽距離為20 mm，進口氣速為1.2 m·s?1,分別考察了V型帽角度為30°～60°時，距離V型帽頂端200 mm（截面1）和300 mm（截面2）的隔板右側橫截面上的氣體不均勻度，結果如圖10所示。由圖10可知，氣體不均勻度隨著V型帽角度增加先減小后升高，在40°～50°之間較平緩，V型帽角度為50°時達到最小，因此該氣體調配裝置V型帽角度為50°時對于隔板塔中氣體分布最為均勻。這是由于V型帽角度過大或過小均會使分流到V型帽兩側的氣體流動方向發生較大變化，對氣體分布的均勻程度造成影響。

圖10 不同截面的氣體不均勻度與Ⅴ型帽角度關系Fig.10 Effect of V-type cap angle on vapour split on different cross sections

3 實驗驗證

為對模擬結果進行驗證，進行了實驗研究。實驗裝置如圖11所示，以常溫常壓空氣為實驗物系。塔底上升氣體由JH-1型離心風機提供，氣體總流量由φ6×300 mm的L形皮托管和RE-1211型數值微壓計測量。在數值型微壓計中輸入管道截面積、皮托管系數和空氣密度，可直接讀出氣體速度和流量。流量大小由管道上的閥門控制，氣體通過整個系統后在塔體頂端排入大氣。左側升氣通道內氣體流量也由皮托管及數值微壓計測量。為計算氣體不均勻度，在隔板右側距V型帽頂端200和300 mm處各選取一橫截面，并分別取均勻分布的35個點測量氣體速度，以計算氣體不均勻度。測速點的選取方法與圖5相同。

保證實驗參數與模擬條件相同，并將實驗結果與模擬值進行比較。圖12所示為進口氣速為1.5 m·s?1時，右側閥片角度對氣體分配比的影響。進口氣速為1.2 m·s?1時，V型帽與升氣槽距離對氣體不均勻度的影響如圖13所示。表1列出了該氣速下V型帽與升氣槽距離為50 mm時，測量點的速度值。由圖12和圖13可知，實驗值與模擬值符合良好，驗證了模擬的準確性。由于測量及計算存在誤差，圖13中實驗值總體高于模擬值。

圖11 實驗裝置圖Fig.11 Experimental apparatus

圖12 右側閥片角度對氣體分配比的影響結果比較Fig.12 Comparison of effect of right blade angle on flow rates of two sides

圖13 V型帽與升氣槽距離對氣體不均勻度的影響結果比較Fig.13 Comparison of effect of distance between V-type cap and vapour tube on vapour split

表1 測量點速度Table 1 Velocities of measuring points

4 模擬拓展研究

為了對氣體調配裝置有更系統的了解，考察了一側升氣槽個數與塔徑的關系，結果如圖14所示。從圖14可以看出，隨塔徑增大，升氣槽個數增多。因為只有保持升氣槽面積在塔截面積中占據一定比例，才能實現氣體的均勻分布。

圖14 升氣槽個數與塔徑的關系Fig.14 Relationship between vapour tubes and internal diameter

5 結 論

（1）上升氣體在兩側升氣通道內分流，改變閥片角度的升氣通道內氣體流動狀況較復雜，局部產生了旋渦，兩側氣體在分布板的作用下均能均勻地流入升氣槽。

（2）在其他條件相同，進口氣速分別為1.0和1.5 m·s?1時，氣體調配裝置均能有效實現兩側升氣通道內氣體分配比的調節。

（3）V型帽與升氣槽的距離顯著影響氣體的分布特性。在V型帽角度為50°，進口氣速分別為1.2和1.6 m·s?1時，V型帽與升氣槽的最佳距離均為20 mm。

（4）V型帽角度對氣體分布特性有一定影響。在進口氣速為1.2 m·s?1，V型帽與升氣槽距離為20 mm時，V型帽最佳角度為50°。

（5）該裝置還存在一定缺點，當閥片偏轉角度大于50°時，調節靈敏度減弱；氣體通過該裝置時產生渦流，會影響分布均勻性和造成能量損失，后續工作應針對以上問題進行結構優化設計。

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CFD simulation and experimental research on vapour splitter in divided wall column

CHEN Wenyi1,2, SUN Jiao1,2, GE Huaqiang1,2, CHEN Nan3, CHEN Xiangwu4
(1Department of Process Equipment and Control Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China;2Research Center of Engineering Fluid and Process Enhancement,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China;3Semiconductor Manufacturing International(Beijing)Corporation, Beijing100176,China;4Tianjin Lianda Group Co.,Ltd.,Tianjin300270,China)

In order to resolve the problem of controling the vapour split in the divided wall column (DWC), a new vapour splitter was put forward. The study was carried out by using the computational fluid dynamics (CFD) software STAR-CCM+ withk-εturbulence model and SIMPLE method. The split and the nonuniformity of the vapour were researched and compared against experimental data. The relationship between vapour tubes and internal diameter of the column was examined by simulations. Model results and experimental data obtained in this study have revealed that the device can accurately adjust the vapour split and achieve a uniform vapour distribution. The model results were in good agreement with experimental data.

divided wall column; vapour splitter; CFD; distributions; experimental validation

SUN Jiao, sunjiao 2007@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150011

TQ 051;TQ 053. 5

：A

：0438—1157（2015）10—4032—07

2015-01-06收到初稿，2015-03-15收到修改稿。

聯系人：孫姣。

：陳文義(1963—)，男，教授。

Received date: 2015-01-06.