基于fluent乙酸變徑精餾塔的數(shù)值模擬

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

填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)[1]，在石油化工、醫(yī)藥等方面得到廣泛的應(yīng)用。填料塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，填料床層的壓降是一個(gè)重要參數(shù)[2]，是影響填料塔分離效率的重要指標(biāo)，壓降越小，分離效率越高。由于乙酸變徑精餾塔進(jìn)料時(shí)會(huì)帶走部分氣相，因此研究塔內(nèi)壓力場分布情況十分必要，通過研究，為變徑段筒體的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

對(duì)于塔徑較大的填料塔，為了滿足操作工藝的要求，提高傳質(zhì)效率，降低制造成本，通常會(huì)將填料塔設(shè)計(jì)成上、下塔段直徑不同的結(jié)構(gòu)，通過變徑段筒體來實(shí)現(xiàn)直徑不同的塔段的連接，變徑段筒體的結(jié)構(gòu)主要有四種[2]，如圖1所示，即大小端都有折邊（見圖1a）、大小端都無折邊（見圖1b）、大端有折邊（見圖 1c）、小端有折邊（見圖 1d）。

圖1 幾種變徑段筒體結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于變徑段筒體的傾斜角α的取值，GB150[3]給出了非常具體的范圍：對(duì)于無折邊的結(jié)構(gòu)，α≤30°；對(duì)于大端有折邊，小端無折邊的結(jié)構(gòu)，α≤45°；對(duì)于大端、小端都有折邊的結(jié)構(gòu)，α≤60°；對(duì)于變徑段筒體高度H的取值按國標(biāo)選取，本文采用的是無折邊結(jié)構(gòu)。

1 壓力變化幅度

為了便于描述塔內(nèi)某一條直線上壓力的變化情況，引進(jìn)了壓力變化幅度的概念。壓力變化幅度表示同一直線上任意兩點(diǎn)間壓力的變化量與前一個(gè)點(diǎn)的壓力的比值，壓力下降幅度越大，表明壓力波動(dòng)越大，壓降越大。

式中，p1為前一個(gè)點(diǎn)上的壓力（pa）；p2為后一個(gè)點(diǎn)上的壓力（pa）；Δp為兩點(diǎn)間壓力的變化量（pa）。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量守恒方程：

其中，τij為應(yīng)力張量，其表達(dá)式為：

2.2 模型的選擇

RNG k-ε湍流模型能夠較好的處理高應(yīng)變及流線彎曲程度大的流體，對(duì)于近壁流、低雷諾數(shù)流以及旋渦流等流體的流動(dòng)方式的預(yù)測較為準(zhǔn)確，本文采用RNG k-ε湍流模型。RNG k-ε湍流模型k和ε的運(yùn)輸方程表達(dá)式為：

3 物理模型及網(wǎng)格劃分

3.1 物理模型

本文研究的精餾塔主要產(chǎn)物乙酸從塔底采出，因此，對(duì)于填料精餾研究主要集中在提餾段，由于填料的復(fù)雜性，對(duì)于填料部分采用多孔介質(zhì)代替，利用Solidworks軟件建立填料塔提餾段的三維模型，如圖2所示。

圖2 填料塔提餾段的三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模擬過程必不可少，也是極為重要的步驟，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于計(jì)算精度和效率有重要的影響[4]。采用ICEM CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，由于填料塔的計(jì)算區(qū)域比較規(guī)律，因此對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分六面體網(wǎng)格。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將計(jì)算區(qū)域分為兩部分：一部分為填料部分，這部分采用加密網(wǎng)格技術(shù)，使網(wǎng)格按照冪函數(shù)規(guī)律變化，這樣做的目的是將更加細(xì)化的研究填料部分兩相流動(dòng)時(shí)流體速度的變化情況[5-6]，其余部分不需要加密。

圖3 填料塔提餾段網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

本文采用速度進(jìn)口邊界，速度方向與進(jìn)口截面垂直，選用的流體為空氣并按充分發(fā)展的湍流來處理，在計(jì)算模擬時(shí)，忽略重力對(duì)空氣的影響。湍流定義項(xiàng)選擇Intensity and Hydrualic Diameter，湍流強(qiáng)度可按經(jīng)驗(yàn)公式得到，計(jì)算式為：

式中，ρ為流體密度（kg/m3）；U為流體速度（m/s）；DH為水力直徑（mm）；μ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度（pa.s）。

出口采用壓力出口邊界類型，由于選用的流體按充分發(fā)展的湍流來處理，故可將出口壓力設(shè)置為0。

壁面處采用無滑移邊界條件，并且排除各項(xiàng)作用力的影響。

4 計(jì)算模擬結(jié)果

4.1 不同傾斜角α下塔內(nèi)流場分布情況

計(jì)算過程保持進(jìn)氣管的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度相同并按充分發(fā)展的湍流來處理，氣相到達(dá)進(jìn)口時(shí)速度相同，在進(jìn)口氣相速度相同的情況下，變徑段筒體高度為H=150 mm（保持不變）時(shí)，得到不同傾斜角α下填料塔內(nèi)的壓力云圖、填料塔中心線處壓力和速度變化曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 H=150 mm不同傾斜角塔內(nèi)的壓力云圖

圖5 H=150mm塔中心線上壓力和速度變化曲線圖

4.2 不同高度H下塔內(nèi)流場分布情況

計(jì)算過程保持進(jìn)氣管的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度相同并按充分發(fā)展的湍流來處理，氣相到達(dá)進(jìn)口時(shí)速度相同，在進(jìn)口氣相速度相同的情況下，變徑段高度由150mm變?yōu)?00mm得到不同傾斜角α下填料塔內(nèi)的壓力云圖以及中心線上壓力變化曲線圖，如圖6、圖7所示。

圖6 H=100mm不同傾斜角塔內(nèi)的壓力云圖

圖7 H=100mm塔中心線上壓力和速度變化曲線圖

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖4和圖6的壓力云圖可以看出，變徑段壓力變化幅度較大，等徑段壓力變化較為均勻；壓力從進(jìn)口到出口逐漸降低；由于塔徑變小使得流速增大從而使靜壓迅速向動(dòng)壓轉(zhuǎn)化，所以進(jìn)口處壓力最大，隨后壓力逐漸變小；變徑段筒體高度H大的塔，塔內(nèi)受到的壓力較大。

從圖5和圖7塔中心線上壓力和速度變化曲線圖可以看出，變徑段速度變化曲線與壓力變化曲線夾角較大，表明壓力變化幅度較大，是由于速度突變引起的；等徑段速度變化曲線與壓力變化曲線夾角較小，表明壓力變化幅度較小；當(dāng)變徑段傾斜角度α變大時(shí)，速度變化曲線與壓力變化曲線夾角變小，壓力變化幅度變小；當(dāng)變徑段傾斜角度α相同時(shí)，隨著變徑段筒體高度H的降低，速度變化曲線與壓力變化曲線夾角變大，壓力變化幅度變大。

5 結(jié)論

乙酸精餾塔進(jìn)料時(shí)會(huì)帶走部分氣相，從而導(dǎo)致塔內(nèi)各段氣相存在較大差異，壓降變化大，通過增加變徑段可以彌補(bǔ)乙酸帶走的氣相，有效降低塔內(nèi)壓降的變化。變徑段傾斜角度α和高度H對(duì)塔內(nèi)壓力變化幅度有重要影響，傾斜角度α變大時(shí)，塔內(nèi)壓力變化幅度變小，表明壓降低，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮較大的傾斜角；傾斜角度α相同時(shí)，高度H變小，塔內(nèi)壓力變化幅度大，表明壓降高，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮較大的高度。本文的研究為精餾塔變徑段的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。