吸收塔內(nèi)環(huán)孔管分布器數(shù)值仿真及性能分析

陳善友 黃坤榮 吳彬 劉子建

摘 ?????要： 為提高CO₂捕集系統(tǒng)中吸收塔脫碳能力，從氣體均勻性和壓降損失著手針對孔管分布器進(jìn)行優(yōu)化。通過Fluent 15.0對四進(jìn)氣口環(huán)孔管分布器進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果表明：四進(jìn)口環(huán)孔管分布器使得進(jìn)口煙氣在吸收塔內(nèi)的不均勻系數(shù)M在0.2～0.6之間，分布均勻性較未加分布器明顯改善，且煙氣在各孔出口速度基本接近，進(jìn)而使得氣體在相對高度截面上對稱性良好;在近壁面上煙氣速度接近于零，很大程度上避免了反應(yīng)時對壁面腐蝕;隨著煙氣進(jìn)口速度增大，整體均勻性上升，壓降隨之增高，通過孔管的動能損失增大。

關(guān) ?鍵 ?詞：吸收塔;環(huán)孔管分布器;均勻度;壓降

中圖分類號：TQ051.1???????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2569-04

Numerical Simulation and Performance Analysis of Ring-Hole

Tube Distributor in Absorption Tower

CHEN?Shan-you， HUANGg Kun-rong， WU?Bin， LIU Zi-jian

（School of Mechanical Engineering， University of South China， Hunan Hengyang 421001， China）

Abstract： In order to improve the absorption rate of CO₂?in the flue gas in the absorption tower of the CO₂ capture system， the pore tube distributor was studied and optimized from the?aspects of?uniform gas distribution and pressure drop loss. Fluent15.0 was used to simulate the four-inlet ring-hole tube distributor.?The results showed?that the four-inlet ring-hole tube distributor made?the distribution uniformity of the inlet flue gas in the absorption tower significantly higher than that without the distributor， and the uniformity M was in the range of 0.2～0.6， the velocity of the flue gas at the outlet of each hole was?approximately the same， which in turn made?the symmetry of the gas in the relative height section good; on the near wall， the velocity of the flue gas was?close to zero， and the corrosion of reactions on the wall surface was?avoided.As the inlet speed of the flue gas increased， the overall uniformity increased， and the pressure drop also increased， and the kinetic energy loss through the orifice tube increased.

Key words： Absorption tower; Ring-hole tube distributor; Uniformity; Pressure drop

CO₂捕集系統(tǒng)中，煙氣吸收是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)考慮因素，它將直接影響捕集系統(tǒng)的捕集效率和能量損耗。CO₂在吸收塔內(nèi)分布更均勻，氣體與吸收液混合更充分，可提高捕集效率。噴淋塔內(nèi)部構(gòu)造簡單，噴口管道尺寸較小，散熱性和接觸充分性都較填料吸收塔效果更佳，相比其它類型吸收塔應(yīng)用更為廣泛，所以即使是高熱化學(xué)反應(yīng)，噴淋塔也仍然適用，其缺點(diǎn)是噴淋塔內(nèi)煙氣分布均勻性較差^[1]。陳冠舉等^[2]針對阿姆河氣田天然氣脫硫脫碳問題，將MDEA吸收塔進(jìn)行優(yōu)化，增添了反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，提高了生產(chǎn)效率，方案切實可行。

孔管分布器通常用來提高流體分布均勻性，尤其在化工、水利等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，實際應(yīng)用時能量損失小。傳統(tǒng)孔管分布器以直孔管分布器最具代表性，在工程應(yīng)用中也較為常見，其缺陷是孔管出口處存在速度分布不均的現(xiàn)象，煙氣在管口處流速過大，且管口處阻力較大^[3]。通過分析上述問題，發(fā)現(xiàn)增設(shè)環(huán)孔管分布器可有效改善管口氣流速度分布不均的現(xiàn)象，使噴淋塔內(nèi)煙氣具有較好均勻性，同時降低壓力損失，并且制作和安裝都較為簡單，工藝難度低。

如今數(shù)值模擬仿真技術(shù)的成熟運(yùn)用，也推動著化工及機(jī)械等領(lǐng)域高速發(fā)展。更多的研究人員開始應(yīng)用CFD進(jìn)行煙氣流動模擬，以更加準(zhǔn)確并高效模擬內(nèi)部流體運(yùn)動狀況。王毅等^[4]針對化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室，以CFD有限元模擬仿真形式對其內(nèi)流場進(jìn)行了分析，并合理布置分布器孔直徑及孔間距，使氣流通過該分布器后具有更良好均勻性。而陳軼光等^[5]先講述了幾種常見的氣體分布器，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析概括，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出一種新型水冷塔用循環(huán)氣體分布器，通過Fluent對其冷卻過程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該新型分布器可有效提高其分配性能并降低壓力損失。CX Li等^[6]通過數(shù)值模擬仿真探究幾種常見分布器，分析對比其氣流分配能力，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到一種新型分配器，使中心集合現(xiàn)象得到改善，在速度分布、壓降等方面表現(xiàn)優(yōu)異，綜合性能較原分配器有明顯提高。豐存禮^[7]則是針對氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，采用Fluent模擬氣流運(yùn)動過程，分別研究了不同參數(shù)下分布器性能。因此，本文采用流體力學(xué)Fluent軟件，以環(huán)孔管分布器進(jìn)口數(shù)、煙氣分布均勻度、進(jìn)口煙氣速度作為主要參數(shù)指標(biāo)，對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 ?分布器模型建立

1.1 ?物理模型

本文研究對象為CO₂噴淋吸收塔，塔徑3 m，?高5.5?m，?并采用四進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，管徑0.75?m。該裝置中分布器采用多孔環(huán)管結(jié)構(gòu)，為降低CO₂進(jìn)入孔洞時動量損失，孔徑與孔數(shù)均應(yīng)在合理范圍內(nèi)。本研究采用三層孔結(jié)構(gòu)，其中孔徑0.2?m，孔總數(shù)36，環(huán)孔管分布器與塔底相對高度1.2?m（圖1-2）。

1.2 ?數(shù)學(xué)模型建立

本模型雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于4 000，可將煙氣在吸收塔中流動狀態(tài)視為充分發(fā)展湍流。故采用標(biāo)準(zhǔn)方程，其中湍動能和方程^[8]如下：

湍動能 ??????????????????????（1）

湍動能耗散率 ??????????????（2）

式中：—湍動能模型參數(shù);

—管道管徑，m，

?。?img alt="" height="11" src="file：///C：＼Users＼ADMINI～1＼AppData＼Local＼Temp＼ksohtml11920＼wps64.jpg" width="4"/>?=0.005;

?=0.005。

多孔管內(nèi)流體流動為變質(zhì)量流動，通過動量方程分析其內(nèi)部靜壓變化，可用以下方程^[9]表示：

（3）

式中：—壓強(qiáng)，Pa;

—動量交換系數(shù);

—密度，kg/m³;

—摩擦阻力系數(shù);

—管徑， m。

1.3 ?邊界條件

管入口煙氣由多種氣體組成，本文就脫硝、脫硫后煙氣進(jìn)行研究，氣體中僅含CO₂、O₂、N₂，分別占比15%、15%、75%，氣體密度=1.37?kg/m³。煙氣進(jìn)口速度分別取20、25、30、35 m·s^-1。管出口使用壓力出口邊界條件。

2 ?性能指標(biāo)

煙氣通過分布器時分布均勻度和動量損失情況是評價分布器性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，用均勻度表征煙氣分布情況，壓降表征動量損失^[10]。高性能分布器需具備以下特征：煙氣阻力小;煙氣可快速達(dá)到良好均勻度，且大口徑噴淋塔煙氣吞吐量較大，需用更高進(jìn)氣速度以滿足實際工程應(yīng)用要求^[11]。取進(jìn)氣速度15、20、25、30、35?m·s^-1分析，比較不同煙氣進(jìn)口速度時不均勻度M、壓降。

2.1 ?不均勻度M

氣體分布均勻度通過采集樣點(diǎn)速度分布方差求得，按照公式（4）計算出氣體分布不均勻度。圖3為噴淋塔截面速度樣點(diǎn)分布情況。

????????（4）

式中：—?dú)怏w平均速度，m/s;

—沿軸方向流速，m/s;

—測量點(diǎn)個數(shù);

M—表示氣體分布不均勻程度。

2.2 ?壓降

壓差是用來衡量氣體分布器的重要指標(biāo)，為簡化分析過程，可以用=^[12]表征，即分布器進(jìn)出口壓力差值，單位為Pa。

3 ?數(shù)值計算分析

3.1 ?速度云圖分布

以15?m·s^-1進(jìn)口速度作為邊界條件，對經(jīng)過四進(jìn)口環(huán)孔管分布器進(jìn)入到噴淋吸收塔內(nèi)煙氣流場進(jìn)行模擬仿真。其YZ、XY截面速度云圖分別如圖4、圖5所示，氣流通過環(huán)孔通道后，動量損失小，各通道排出煙氣出口速度基本相同，且在Y向?qū)ΨQ性良好。從YZ、XY截面速度云圖可以看出，煙氣入口速度在軸向截面分布較均勻，多聚集在中間位置，邊界處速度幾乎為0。在吸收CO₂過程中，降低了塔壁損傷，可延長其使用壽命。

針對噴淋塔內(nèi)煙氣分布均勻性，取不同高度截面進(jìn)行研究。距環(huán)孔管分布器水平中心高度D分別為0、0.5、1、2、3、4m截面的速度云圖依次如圖6所示。結(jié)果表明，隨截面高度增加，煙氣速度差值減小，煙氣速度分布均勻性提高。其主要原因為孔管分布器孔洞尺寸與煙氣進(jìn)口截面尺寸存在較大差距，當(dāng)煙氣通過孔管中孔洞時，明顯高于周圍區(qū)域流速。噴淋空塔中，煙氣通過分布器后，僅受空氣阻力作用，自由擴(kuò)散至出口，直到煙氣在噴淋塔中分布呈穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 ?不均勻度M值分析

由于噴淋塔及分布器實際尺寸較大，實驗周期

長成本高，故本文僅采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為驗證模擬結(jié)果有效性，以惠宇等^[13]所研究雙切環(huán)流氣體分布器性能實驗數(shù)據(jù)作為實驗組進(jìn)行模型對比驗證。以煙氣進(jìn)口速度15、20、25、30、35?m·s^-1作邊界條件對分布器性能進(jìn)行研究。

取距環(huán)孔管分布器水平中心截面高度0.5、1、2、3、4 m截面不均勻度M作為依據(jù)。各速度下不同截面M值及惠宇實驗數(shù)據(jù)對比如圖7所示。

通過圖7可知，數(shù)值仿真結(jié)果與惠宇實驗數(shù)據(jù)結(jié)果趨勢一致。隨著入口速度增加，同一高度截面速度分布不均勻度呈現(xiàn)下降趨勢;速度條件不變，隨截面高度增加，煙氣分布不均勻度亦呈現(xiàn)降低趨勢。本文研究對象內(nèi)部氣體分布均勻性較佳，煙氣分布不均勻度維持在0.2～0.6之間，相較未加分布器得到很大改善，并且煙氣在塔內(nèi)Z向不同位置分布較均勻，在噴淋塔建造過程中，可節(jié)約建造成本。

3.3 ?壓降分析

不同速度下壓降情況如圖8所示。

數(shù)值仿真值滿足實驗數(shù)據(jù)結(jié)果。進(jìn)口煙氣速度增加會導(dǎo)致壓降上升。進(jìn)口煙氣速度較小時，其產(chǎn)生壓降相應(yīng)減小，導(dǎo)致CO₂分布均勻度相對升高，單位時間內(nèi)所能處理煙氣量也會減少，因此進(jìn)口速度選擇應(yīng)該根據(jù)實際情況具體考慮。

4 ?結(jié) 論

（1）噴淋塔內(nèi)煙氣分布均勻度采用四進(jìn)口環(huán)孔管分布器可得到很大程度提高，煙氣在高度截面上軸向?qū)ΨQ性良好;該分布器使進(jìn)口煙氣在進(jìn)入吸收塔后，近壁面區(qū)域流動速度接近0，可對吸收反應(yīng)時壁面腐蝕起到良好控制效果;

（2）數(shù)值仿真結(jié)果與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果趨勢一致。隨著進(jìn)口速度增加，同一高度截面速度分布不均勻度呈現(xiàn)降低趨勢;同一速度時，隨截面高度增加，煙氣分布不均勻度亦呈現(xiàn)減小趨勢。煙氣在噴淋塔內(nèi)分布不均勻度在0.2～0.6之間，相比未配置分布器，其均勻性得到極大改善。

（3）進(jìn)口煙氣速度增加導(dǎo)致壓降上升。進(jìn)口煙氣速度與壓降呈正相關(guān)，速度較小時，煙氣分布均勻度升高，單位時間內(nèi)煙氣處理能力降低，進(jìn)口速度選取應(yīng)據(jù)實際情況具體考慮。

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