管式氣液分配器數值模擬研究

柳士開，薄守石，李 偉，侯亞飛，孫蘭義

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

隨著世界范圍內對石油需求的不斷增加，石油資源的重質化、劣質化趨勢更加凸顯。因此，高效加工、精制石油組分迫在眉睫。石油加氫技術是指石油組分(包括渣油)和氫氣在催化劑存在條件下的加工精制過程，是石油餾分精制、改質和重油加工的重要手段。按照反應器形式不同，石油加氫工藝主要分成四大類，即固定床、沸騰床、移動床和懸浮床加氫處理工藝。現在工業化的石油加氫工藝中，應用最多的為固定床操作模式的加氫處理。氣液分配器是固定床反應器中的重要內構件，其作用是使進入反應器的氣液兩相得到充分混合并均勻噴灑到催化劑床層上。常用的氣液分配器主要有4類[1]：篩板型分配器、管式分配器、泡帽型分配器和升氣式分配器。其中，管式分配器因其結構簡單、安裝密度大、分配效果好而得到廣泛應用。

蔡連波等[2]開發了一種具有碎流板結構的溢流碎流型氣液分配器，并通過冷模試驗證明了其分配性能及操作彈性優于抽吸型分配器；王少兵等[3]通過冷熱態模型試驗，對比了傳統的泡帽型分配器與中國石化石油化工科學研究院開發的新型分配器，認為新型分配器的流體分配性能明顯優于泡帽型分配器。隨著計算機技術的不斷發展，其在反應器模擬方面得到越來越廣泛的應用。Martinez等[4]應用VOF模型和多孔介質模型，模擬了一種溢流型氣液分配器的液體分配特性，獲得了催化劑床層上液體的分布情況；Van Baten等[5]采用歐拉模型對篩板型氣液分配器進行模擬研究，發現分配器上存在多種液體的環流現象；程錦承等[6]采用標準k-ε湍流模型對文丘里分配器進行數值模擬，并考察了多個文丘里分布管組成的分配盤的分配效果，認為多個分配器的組合能優化分配效果，改善分配性能；李立權等[7]采用“原尺寸模型構建-精細網格劃分-CFX動態求解”的CFD數值模擬為技術路線，開發了LYHC-I型加氫反應器內構件，分析了氣液兩相的流動狀態和分布情況，并與冷模試驗結果相互驗證，證明了該分配器具有良好的性能。

本研究采用CFD商用軟件Fluent對不同結構的管式分配器進行模擬，對比其分配性能和進出口壓降，為分配器的優化設計提供參考和借鑒。

1 控制方程

本研究在模擬過程中不考慮熱量交換、質量交換以及化學反應，選用歐拉-歐拉多相流模型和RNGk-ε模型，描述氣液兩相在氣液分配器內流動過程的基本控制方程主要有連續性方程和動量守恒方程。

連續性方程：

(1)

式中：t為時間，s；φq為q相的體積分數，%；ρq為q相的密度，kgm3；q為q相的速度，ms；mpq為p相到q相的相間傳質量，kg(m3·s)；mqp為q相到p相的相間傳質量。因為本研究不考慮質量傳遞，故等式右邊等于0。

動量守恒方程：

(2)

(3)

式中：CD為曳力系數；Re為雷諾數。

RNGk-ε模型的k方程和ε方程：

(4)

(5)

式中：k為湍流動能，m2s2；ε為湍流分散率，m2s3；ρ為密度，kgm3；μ為黏度，kg(m·s)；μt為有效黏度，kg(m·s),μt=ρCμ，Cμ=0.09；σk=1.0，σε=1.3，C1=1.44，C2=1.92，PG為耗散函數。

(6)

式中，u,v,w分別為不同方向的速度分量。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型

本研究以直口管分配器和斜口管分配器[4]為研究對象，豎直管兩側成180°，開有3個側圓孔(直徑17 mm，孔間距54 mm)，1個頂部氣體進口(豎直高度40 mm)。管式分配器的幾何結構如圖1所示，結構尺寸如表1所示。

圖1 管式分配器幾何結構

表1 計算域尺寸

本研究共考察3種結構的管式分配器：直口管分配器、側圓孔同方向的斜口管分配器和側圓孔90°交叉布置的斜口管分配器，并對比各自加碎流板(碎流板直徑40 mm)和不加碎流板時的分配性能。其中，碎流板安裝在距離分配器出口下方10 mm處，分配器及碎流板結構如圖2所示。

圖2 分配器及碎流板結構

2.2 邊界條件

選用國內某煉油廠固定床柴油加氫裝置的相關數據，計算出單個分配器的邊界條件，同時列出在操作條件下(300 ℃， 7 MPa)柴油及氫氣的物性參數，如表2所示。

表2 操作條件下的物性參數

在模擬中，氣液兩相從同一入口進入分配器，氣相體積流量為0.005 2 m3/s，液相體積流量為0.001 1 m3/s，進口邊界條件采用速度入口，出口邊界條件設定為壓力出口。采用SIMPLE算法作為壓力-速度的耦合方程，動量、湍動能和耗散率方程均采用一階迎風差分格式。采用非穩態進行模擬，時間步長設定為0.001 s。

3 網格劃分及無關性檢驗

對于CFD模擬來說，網格的劃分直接影響到計算速率和計算精度。本研究利用PRO-E建立分配器模型，并利用ICEM軟件對所建模型劃分網格，采用混合型網格計算離散區域，其優點主要體現在兩個方面：一是對分配器周圍的不規則區域，選擇非結構網格，其對幾何結構的適應能力強，而且可以對側圓孔等小結構區域進行局部加密，來獲得更高的計算精度；二是在計算域上部和下部的規則區域，采用結構性網格，網格規則且網格數量減少很多，能最大程度減少對計算機內存的需求和節省計算時間。圖3所示為劃分的混合網格。

圖3 整體計算域網格結構

網格疏密程度對數值計算的結果影響非常大，只有當網格數量的增多對計算結果影響不大時，數值計算結果才具有一定的可信度。本研究以進出口壓降作為參考，對分配器的網格無關性進行考察，以確定適合的網格數量。圖4為分配器進出口壓降隨網格數量的變化曲線。從圖4可以看出，隨網格數量的增加，進出口壓降逐漸減小，當網格數量為150 000時，繼續增加網格數量對進出口壓降的計算結果幾乎沒有影響，因此，在后續的模擬過程中，網格數量確定為150 000。

當能量方程的殘差值低于1×10-6，其它方程的殘差值低于1×10-3，同時，查看Flux Reports對話框中的各通量誤差小于0.1%時，可以認為計算收斂，結束模擬。

圖4 網格數量對進出口壓降的影響

4 結果與討論

分配器的設計主要考慮分配器的壓降、抗塔板傾斜能力、安裝難易程度等，而評價一個氣液分配器的性能則從3個方面進行衡量：壓降、液體分布均勻性和操作彈性。其中液體分布均勻性在三者中最重要，可從液體流出分配器后的噴灑覆蓋面和液體沿徑向分配的峰值兩方面來衡量。液體噴灑覆蓋面越大，沿徑向的峰值越小，說明氣液分布器的分配性能越好。壓降是評價分配器性能的另一項重要指標。一般來說，分配器進出口壓降過高，裝置的設備投資及能耗會增大，同時液體的流動會變得不穩定；而壓降過低，氣液兩相接觸混合不充分，氣相對液相的攜帶和分散能力不足，導致液滴較大，甚至在分配器主體管內出現中心匯流現象，達不到預期的分配效果。本研究通過對比不同分配器的液體分布均勻性及分配器進出口壓降來判斷不同分配器的性能。

4.1 液體分布均勻性

圖5為不同分配器在距分配器出口下方100 mm處截面的液相分率云圖。從圖5可以看出，不加碎流板時，3種分配器的噴灑面積較小，且液體分布不均勻，直口管分配器液相分率達到0.3。圖5(a)和(b)的下方出現紅色區域，液相分率高達0.5，表明斜口管分配器液相分率高于直口管分配器，這是由于氣體由斜口一個方向進入分配器，在氣體的牽引力下，液體從其對應方向聚集流出，導致液體局部濃度較高，而對于直口管分配器，由于氣體從四周進入分配器，無液相局部濃度過高的現象。當加入碎流板后，液體的噴灑面積明顯增加，且液體局部濃度較高的現象消失，液體分配更加均勻，分配效果更好。

圖5 液相分率云圖

圖6為不同分配器在距分配器出口下方100 mm處截面的液相分率隨徑向位置的變化曲線。從圖6可以看出：不加碎流板時，3種類型分配器的噴灑面積均較小，其中側圓孔90°交叉布置的斜口管分配器的分配面積最小，且峰值最高，因此較之其它兩種分配器，分配性能最差；其它兩種分配器的分配面積和液體分配均勻性基本相同，液相分配峰值僅為側圓孔90°交叉布置的斜口管分配器的20%～30%；增設碎流板后，3種類型的分配器噴灑面積明顯增加，分配峰值進一步減小，分配器分布均勻性增加。從結構上看，主要是因為增設碎流板后，大液滴破碎成小液滴，并擴大了液體的分配范圍。比較這3種分配器，側圓孔90°交叉布置加碎流板的斜口管分配器噴灑面積最大，峰值最小，因此分配效果最好。由此可以得出，管式分配器雖然滴點多，但分配面積相對較小，因此有必要在底部設置碎流板。

圖6 不同分配器液相分率的徑向分布分配器類型：■—側圓孔同方向斜口管； ●—側圓孔90°交叉斜口管； ▲—側圓孔同方向直口管； 側圓孔同方向加碎流板斜口管； ◆—側圓孔90°交叉加碎流板斜口管； 側圓孔同方向加碎流板直口管

從圖5和圖6還可以看出，與無碎流板的分配器相比，增設碎流板后，3種分配器的液體分布面積和均勻度差別明顯變小，由此得出，底部增設碎流板后，氣體進入分配器的方式及溢流孔的布置方式對分配器分配性能的影響大大降低。

為了更精確地定量表示液體分布的均勻性，引入了液體分布不均勻度的概念[8]，其定義如式(7)所示。

(7)

圖7為不同分配器的液體不均勻度對比。由圖7可以看出，增設碎流板后，分配器的液體不均勻度明顯降低，約為不加碎流板時的1/10，因此增設碎流板可以提高分配器的分配均勻度。

圖7 不同分配器不均勻度對比

增設碎流板的3種分配器不均勻度對比結果表明，側圓孔90°交叉布置加碎流板的斜口管分配器液體不均勻度最低，驗證了該種分配器分配效果最好的結論。

4.2 分配器壓降

圖8為不同分配器進出口壓降對比。從圖8可以看出：不加碎流板時，側圓孔90°交叉布置的斜口管分配器壓降最高達到980 Pa，其它兩種分配器壓降基本相等；增設碎流板時，3種分配器的壓降均有不同程度的增加，結合分配器的結構進行分析，增設的碎流板對氣液混合流體有一定的阻擋作用，使得壓降增加。若要氣液兩相獲得更好的分配，通常都是以增大分配器壓降為代價，因此只要壓降在合理的范圍內，可以通過增設碎流板使氣液兩相分配更加均勻。

圖8 不同分配器進出口壓降對比

5 結 論

通過對6種形式分配器的模擬，比較其液相分率云圖、徑向位置變化曲線、液體不均勻度以及分配器進出口壓降等性能參數，得出主要結論為：增設碎流板后，分配器的分配效果明顯改善，同時壓降也增大，其中，側圓孔90°交叉布置加碎流板的斜口管分配器分配效果最好；增設碎流板后，氣體進入分配器的方式及溢流孔的布置方式對分配器分配性能的影響大大降低。

[1] Maiti R N，Nigam D P. Gas-liquid distributors for trickle-bed reactors：A review[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2007，46(19)：6164-6182

[2] 蔡連波，王冕，盛維武，等. 溢流碎流型氣液分配器的開發研究[J]. 煉油技術與工程，2009，39(12)：23-27

[3] 王少兵，毛俊義，王璐璐. 應對原料劣質化的新型高效加氫反應器內構件技術[J]. 石油煉制與化工，2016，47(6)：99-102

[4] Martínez M，Pallares J，López J，et al. Numerical simulation of the liquid distribution in a trickle-bed reactor[J]. Chemical Engineering Science，2012，76(28)：49-57

[5] Van Baten J M，Krishna R. Modelling sieve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J]. Chemical Engineering Journal，2000，77(3)：143-151

[6] 程錦承，程振民，方向晨，等. 文丘里氣液分布管的實驗研究與數值模擬[J]. 華東理工大學學報(自然科學版)，2007，33(4)：456-459

[7] 李立權，陳崇剛. 大型加氫反應器內構件的研究及工業應用[J]. 煉油技術與工程，2012，42(10)：27-32

[8] Marcandelli C，Lamine A S，Bernard J R，et al. Liquid distribution in trickle-bed reactor [J]. Oil and Gas Science and Technology，2000，55(4)：407-415