精餾塔變徑段布局方式研究

陳林鳳，馮清付，江振飛，王在良，李伯奎

（1.江蘇科圣化工機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 223002；2.淮陰工學(xué)院，江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安223003）

0 引言

填料精餾塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，由于生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、持液量小以及操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)在化工行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。氣液相流量是影響填料層壓差的重要因素，當(dāng)精餾塔各塔段氣液相流量的差異不大時(shí)，通常會(huì)把精餾塔設(shè)計(jì)成塔徑相等的等徑餾塔。而如果不同塔段的氣液相流量的差異較大時(shí)，則往往會(huì)考慮將精餾塔設(shè)計(jì)成直徑不等的變徑塔[4-5]。不同塔段計(jì)算后采用不同的塔徑，可以提高熱力學(xué)性能，避免低負(fù)荷操作時(shí)出現(xiàn)偏流的情況，提高填料效率。變徑段位置主要有4種，如圖1所示。通過(guò)研究變徑段在不同位置時(shí)精餾塔內(nèi)流場(chǎng)分布，為設(shè)計(jì)人員選擇合適的布局方式提供了依據(jù)。

圖1 變徑段位置及類(lèi)型

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型建立求解精餾塔內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行計(jì)算時(shí)假設(shè)氣體為可壓縮空氣，液體為不可壓縮水，氣、液兩相按充分發(fā)展的湍流處理，入口邊界條件采用恒速度入口，出口邊界條件采用恒壓力出口，壁面邊界壁面條件設(shè)為絕熱無(wú)滑移。其控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程為：

其中，τij——應(yīng)力張量。

1.2 模型選擇

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是目前應(yīng)用非常廣泛的兩相流模型，因?yàn)槠浜?jiǎn)單、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在流場(chǎng)分析中備受應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能夠獲得較為精確的結(jié)果。

動(dòng)量守恒方程：

式中，Gk——為湍流動(dòng)能生成；

Gb——為浮力產(chǎn)生項(xiàng)；

σε、σk——分別代表ε和k的Prandtl湍流常數(shù)；Sε和Sk——為自定義函數(shù)。

2 物理模型

2.1 采用的物理模型

氣、液兩相按充分發(fā)展的湍流處理，入口邊界條件采用恒速度入口，出口邊界條件采用恒壓力出口，壁面邊界壁面條件設(shè)為絕熱無(wú)滑移。做氣相單向流模擬時(shí)，底部為進(jìn)口，上部為出口，做液相單相流模擬時(shí)，上部為進(jìn)口，底部為出口，建立了包括變徑段筒體在內(nèi)的物理模型，如圖2所示。

圖2 物理模型

2.2 網(wǎng)格劃分

建模型導(dǎo)入ICEMCFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，填料部分采用多孔介質(zhì)模型代替，劃分時(shí)進(jìn)行加密處理，最終得到的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 氣相單向流下但內(nèi)流場(chǎng)分布情況

圖4為氣相單向流作用下塔內(nèi)速度云圖，從（a）、（d）兩個(gè)云圖可以看出，在變徑段上方，精餾塔壁面處氣相速度最小，由于速度和阻力成正比關(guān)系，因此，變徑段筒體采用（a）、（d）圖布局方式，導(dǎo)致的壁流效應(yīng)較大，嚴(yán)重影響精餾塔分離效率。而（b）、（c）圖壁面處氣相速度最大，在一定程度上能夠起到減少壁流的作用。

圖4 氣相單向流下塔內(nèi)速度云圖

圖5為氣相單向流作用下塔內(nèi)壓力云圖，變徑段上（下）方，（a）、（b）、（c）、（d）云圖氣相壓力變化都比較均勻。總體上，由下到上看，（a）圖氣相壓力變化：小→大→小；（b）、（c）云圖氣相壓力變化：大→小，（d）云圖氣相壓力變化：大→小→大；顯然（a）、（d）圖氣相壓力波動(dòng)較大，會(huì)對(duì)精餾塔分離效率產(chǎn)生較大影響，而（b）、（c）、圖氣相壓力變化較為均勻，波動(dòng)較小。

圖5 氣相單向流下塔內(nèi)壓力云圖

3.2 液相單向流下塔內(nèi)流場(chǎng)分布情況

圖6 為液相單向流作用下塔內(nèi)速度云圖，在變徑段上方，（e）、（f）、（g）、（h）的速度變化都比較均勻，液體對(duì)壁面的作用效果基本相似；在變徑段下方，（g）圖壁面液相速度小，相同時(shí)間壁流較小，同時(shí)由于塔徑的突然變大，使得塔上方落下的液體絕大多數(shù)向塔內(nèi)部靠攏，也能起到減少壁流的作用；（h）圖壁面液相速度大，相同時(shí)間壁流大，液體壁流效應(yīng)嚴(yán)重，同時(shí)由于塔徑突然變小，液體流通通道受阻，進(jìn)一步加劇液體壁流。

圖6 液相單向流下塔內(nèi)速度云圖

圖7 為液相單向流作用下塔內(nèi)速度云圖，變徑段上（下）方，（e）、（f）、（g）、（h）云圖壓力變化都比較均勻。總體由上到下看，（e）、（h）圖液相壓力變化：大→小；（f）、（g）云圖液相壓力變化：大→小→大；顯然（g）、（h）圖液相壓力波動(dòng)較大，會(huì)對(duì)精餾塔分離效率產(chǎn)生較大影響，而（e）、（h）圖氣相壓力變化較為均勻，波動(dòng)較小。

圖7 液相單向流下塔內(nèi)壓力云圖

4 結(jié)論

通過(guò)本文的研究得到以下結(jié)論：

（1）氣相單向流作用下，對(duì)于變徑段大端朝上的布局方式，變徑段上方壁面壁流效應(yīng)嚴(yán)重，總體壓力波動(dòng)較大，對(duì)精餾塔分離效率影響大，而變徑段大端朝下的布局的方式，能夠有效減少壁流，并且總體壓力波動(dòng)較小。

（2）液相單向流作用下，對(duì)于變徑段大端朝上的布局方式，變徑段下方壁面壁流效應(yīng)嚴(yán)重，壓力波動(dòng)較小，而變徑段大端朝下的布局的方式，能夠有效減少壁流，但是總體壓力波動(dòng)較大。

總體而言，采用變徑段采用大端朝下的布局方式比大端朝上的布局方式，在減少壁流效應(yīng)以及壓力變化均勻性方面要好。