加氫反應器氣液分配器數值模擬與結構優化

侯亞飛，李 偉，柳士開，薄守石，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)

隨著世界原油需求的持續走高，原油資源的重質化、劣質化趨勢越來越明顯[1]，未來的原油主要為高硫高酸重質油；另一方面，煉油廠規模和裝置的大型化也成為世界煉油工業發展的總體趨勢；其次，隨著世界能源變革步伐的加快，我國清潔油品燃料需求日益增長。以上這些因素對于加氫反應器安全、高效、長周期穩定運行提出了更高的要求[2-3]。加氫反應主要在固定床加氫反應器內進行，其主要內構件有入口擴散器、氣液分配盤、冷氫箱、出口收集器等，其中氣液分配盤是內構件中最重要的一種。氣液分配盤由安裝在分布板上的分配器組成，分配器是固定床加氫反應器中的重要內構件，其主要功能是為氣液兩相流體提供混合和相互作用的場所，使液體破碎成液滴分散到氣流中，并隨氣流一起落到催化劑上，形成液體在填料床層上的均勻分布。液體分布的均勻性直接影響下游催化劑的潤濕程度和使用效率，進而影響到加氫反應的進行。因此開發綜合性能優良的新型氣液分配器具有重要意義。

分配器從結構角度可以歸納為篩板型、煙囪型、泡罩型和氣提型[4-5]。目前國內應用較多的是泡罩型，其原型是從美國引進的UOC型分配器[6]。由于加氫工藝技術的進一步發展以及加氫反應器趨于大型化的需要，中國石化開發出一種具有抽吸碎流結構的BL型氣液分配器(簡稱BL分配器)[7]。本研究采用Fluent軟件對加氫反應器中單個泡罩分配器的流體力學性能進行模擬，以BL分配器為基礎構型，通過改進其下降管和碎流板結構進行結構優化。

1 BL分配器結構與工作機理

1.1 結構示意

BL分配器主要由中心管、泡帽、連接板和碎流板構成[7]，其結構示意見圖1。

圖1 BL分配器結構示意

1.2 工作機理

BL分配器液體下溢的主要動力來自氣體的強烈抽吸、攜帶作用。正常工作時，分配盤上方的液體在塔盤上積累并且建立一定的液位，氣相通過泡帽上的齒縫進入分配器內部，由于氣體流通面積變小，氣速增大，在中心管與泡帽之間的環形空間形成一定的壓差，因而產生抽吸作用，液體被氣體攜帶進入中心管頂部后轉向180°進入中心管，液體被破碎為液滴，氣體和液體在中心管內部混合呈現錐狀向下經過中心管出口的碎流板節流、分散、霧化作用，噴灑在下方的催化劑床層上[8]。

2 模型驗證

由于分配器內部氣液兩相流動復雜，因而選擇正確的計算模型是計算流體動力學(CFD)計算的前提和基礎，不同的模型計算結果可能相差甚大。中國石化石油化工科學研究院設計了直徑500 mm的冷模實驗裝置，以水和空氣為介質對聯合油公司(UOC)開發的泡罩抽吸型分配器進行流體力學性能的研究工作。實驗過程中氣體流量為200 m3h，液體流量為1 m3h，經過測量處理得到的數據為分配器下方150 mm處水沿實驗裝置徑向的體積分率。本研究通過在Fluent中重現這一實驗過程，并對實驗結果和模擬計算結果進行對比，確保選擇的加氫反應器分配器模型的正確性好。

2.1 流體力學模型

根據加氫反應器內氣液兩相流動的情況，作如下假設[9]：①氣液兩相為不可壓縮的牛頓流體，流動形式為湍流；②不考慮兩相之間的質量傳遞；③氣液兩相在流動過程中不發生相變；④氣液兩相之間壓力相同，接觸界面壓降可以忽略不計。

2.2 控制方程

2.2.1連續性方程連續性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體表述形式，第k相的連續性方程表達式如下：

(1)

2.2.2動量守恒方程流動系統的動量守恒方程表達式如下：

(2)

2.3 幾何模型與網格劃分

泡罩分配器的具體結構尺寸如圖2[10]所示。從圖2可以看出，分配器內徑為65 mm。

圖2 UOC型分配器結構簡圖(單位：mm)

圖3 分配器模型三維模型示意

圖4 模型網格劃分示意

2.4 邊界條件

采用空氣-水體系，空氣和水的物性采用Fluent內置數據，水和空氣的密度(20 ℃)分別為998.200 kgm3和1.225 kgm3，動力黏度(20 ℃)分別為1.003 mPa·s和0.017 9 mPa·s。模擬采用實驗中的操作條件，即空氣流量為200 m3h，水流量為1 m3h，計算域直徑與實驗裝置尺寸相同，均為500 mm。計算域邊界條件為：進口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，第一相為空氣，第二相為水，湍流模型采用標準k-ε雙方程模型，壓力和速度的耦合算法采用SIMPLE算法，三維非穩態計算，時間步長設置為0.002～0.010 s，即在模擬過程中逐步增加步長加速計算的收斂過程，所有方程收斂標準為0.001，取400 s的計算結果，此時所有方程的殘差曲線數值均持續穩定在0.001以下。

2.5 模擬結果與實驗結果對比

由于實驗中測量處理得到的為分配器下方150 mm平面處沿反應器徑向水的體積分率，因而本研究模擬結果考察分配器下方150 mm平面處沿計算域徑向的水體積分率，模擬結果與實驗結果對比見圖5。由圖5可見，沿計算域徑向水體積分率的模擬結果與實驗結果吻合良好，說明所選模型的準確性好。

圖5 模擬結果與實驗結果對比

3 BL型分配器數值模擬

3.1 操作條件

實際加氫反應器內部為油和氫氣，因此模擬均基于油和氫氣展開研究。處理量和操作條件均參考文獻[11]。文獻中的分配器形式為CZII型分配器，中心管內徑為69 mm，分配盤上安裝139個，根據開孔率相同的原則，換算BL分配器的安裝數目為156個。單分配器的處理量根據操作條件折合到單個分配器的承受量計算。操作條件：溫度330 ℃，壓力8.2 MPa，液相流量和氣相流量分別為51.89 m3h和158.80 m3h。油氣的液相和氣相密度(330 ℃)分別為691.90 kgm3和13.25 kgm3，動力黏度(330 ℃)分別為0.225 3 mPa·s和0.013 5 mPa·s。

3.2 結果分析

分配器的3個特征因素分別為分配性能、抗塔板傾斜性能和穩定性[12-13]。評價分配器的性能主要從操作彈性、壓力降和分配的均勻度來考慮，其中分配均勻度最重要，可從兩方面考慮，一是液體噴灑的范圍，二是液體流率沿徑向的峰值，液體噴灑的范圍越寬，峰值越小，則分配器的分配性能越好。

通常情況下加氫裝置中分配器下方200 mm處為催化劑床層，因此，本文中考察分配器下方200 mm處的液體分布情況。分配器下方200 mm處的液體分布云圖和液體分布見圖6和圖7。從圖6和圖7可以看出，該BL型分配器的噴灑范圍為-0.136 7～0.135 0 m。因為分配器內徑為65 mm，因而噴灑直徑為管內徑的4倍，另外經過后處理得到分配器的壓降為110 Pa。

圖6 分配器下方200 mm處的液體分布云圖

圖7 分配器下方200 mm處的液體分布

為了更加精確地定量表示液體分布的均勻性，本文中引入液體分布不均勻度的概念，定義如下[14]。

(3)

4 改進BL分配器模擬與優化

4.1 改進思路

對于分配器來講，最重要的是液體分配的均勻度，可從擴大分配器噴灑面積方面進行考慮。經過調研和初步的探索，提出以下構想：去掉原先的碎流板，將中心管下方封閉，同時在中心管下方側面均勻開方孔，在中心管底部均勻開小孔，以期能夠擴大分配器的噴灑面積，進而降低分配的不均勻度。

4.2 模擬對象和幾何尺寸

基于以上思路改進BL分配器的結構示意如圖8所示。初步的結構尺寸：中心管下方側面沿圓周均勻排列4個15 mm×15 mm的方形孔，中心管下方按照正三角形排列19個5.5 mm的圓孔，其余尺寸和原BL分配器一致。

圖8 改進BL分配器的結構示意

4.3 中心管側方孔數目優化

以分配器中心管側方開孔總面積一定為基準，考察開孔數目的不同對分配器性能的影響，考慮5種結構，分別為2，4，6，8，10孔。圖9為不同開孔數目的5種結構分配器下方200 mm處液相分率云圖。從圖9可以看出，2孔結構的分配器液體分布主要沿著開孔方向，而未開口方向則噴灑較窄，4～10孔結構噴灑比較均勻。

圖9 分配器下方200 mm處液相分率云圖

5種分配器液體徑向分布曲線如圖10所示。從圖10可以看出：2孔分配器的液相分布曲線最窄，液相峰值也最小；4孔分配器液相峰值其次，其液相分布曲線呈現“矮胖”狀，即噴灑面積較大，分布比較均勻；6～10孔液相峰值較大，分布曲線呈現“瘦高”狀，即噴灑面積較小。

圖10 5種分配器液體徑向分布

不同構型分配器的峰值、噴灑面積、不均勻度以及壓降對比結果見表1。由表1可見：在改進的5種分配器構型中，4孔分配器的綜合性能最好，其液相峰值較小，比原BL分配器的峰值降低43%；4孔分配器的噴灑面積最大，比原BL分配器的噴灑面積增大255%；4孔分配器的不均勻度與2孔分配器的不均勻度基本相等，為幾種構型中最小，比原BL分配器的不均勻度減小24.84%。另一方面，改進分配器與原BL分配器相比，壓降有一定程度的增大，分配器的壓降如果太小會導致氣液混合接觸不充分，太大又會導致能耗增加，而改進分配器壓降增大的幅度在實驗允許范圍內，相比于噴射型分配器，壓降還是小一個數量級。以下討論均以4孔構型分配器為基準優化中心管底部孔的數目。

表1 不同構型分配器性能對比

4.4 中心管底部孔數目優化

4孔構型分配器中心管底部孔的數目為19個，直徑為5.5 mm，在保持開孔面積相等以及排列方式相同的前提下，考察開孔數目為13，15，21，25的分配器性能，對應孔徑分別為6.6，6.2，5.2，4.8 mm。5種構型分配器下方200 mm處液相分率云圖見圖11，不均勻度和壓降對比結果見表2。從圖11可以看出，5種構型分配器的噴灑面積基本相等。從表2可以看出，在5種構型分配器中，21孔分配器的不均勻度最小，為0.222，與19孔分配器的不均勻度相比降低7.11%，即比原BL分配器的不均勻度降低30.19%。從表2還可以看出，5種分配器的壓降近似相等，21孔分配器的壓降為191 Pa，與原BL分配器相比壓降增大73.63%，因次，21孔分配器的綜合性能最好。

圖11 分配器下方200 mm處液相分率云圖

表2 5種分配器的不均勻度和壓降對比

5 結 論

(1)對原BL分配器構型進行結構優化，去掉碎流板，使中心管變成一體，在其側面以及下方開孔，以提高其綜合性能。

(2)經過模擬優化從噴灑面積、分配均勻度、壓降、峰值大小等方面進行綜合比較可知，中心管下方側面沿圓周均勻排列4個15 mm×15 mm的方形孔，以及下方開21個5.2 mm圓孔結構最優。

(3)經過結構優化的分配器，分配不均勻度比原BL分配器構型降低30.19%，噴灑面積增大255%，壓降增大73.63%，壓降增大的幅度在許可的范圍內。

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