雙切向環流式氣體分布器結構優化數值模擬

曹佳璐， 周軍逸， 唐建峰、3， 石 野

(1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司， 山東 青島 266400； 2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580； 3.中國石油大學(華東) 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室， 山東 青島 266580)

1 概述

隨著經濟與社會的發展，天然氣作為一種環保且儲量豐富的能源日益受到市場和人們的重視與青睞[1]。天然氣從地層中開采出來，需要通過處理與加工，才能成為合格的商品天然氣。填料塔作為氣液接觸反應設備，廣泛用于天然氣處理工藝，塔內氣體的均勻分布對塔器的分離效率以及出口氣體質量有重要影響[2-3]。當氣體初始分布均勻時，無論是散堆填料還是規整填料，填料層內的氣體分布受填料高度和氣液負荷的影響變小，液體的壁流現象減弱[4-5]。雙切向環流式氣體分布器因壓力損失小、氣體分布效果好、液沫夾帶量小、綜合性能優良而被廣泛應用于填料塔內[6-7]，但雙切向環流式氣體分布器仍然存在局部氣體流速小，回流現象明顯的問題。因此，通過結構改進提高氣體分布器的綜合性能，對于雙切向環流式氣體分布器的工程應用具有一定的指導意義。

隨著計算流體力學的發展，數值模擬計算在化工設備設計開發中受到重視[8]。本文利用FLUENT軟件模擬雙切向環流式分布器內的流場分布，分析產生不均性的原因，通過在分布器頂板上增加出氣孔，調整分布器頂板寬度，調整分布器頂板位置，模擬優化后的內部流場分布，為分布器的結構優化設計提供方向。

2 模型建立

2.1 物理模型

雙切向環流式氣體分布器安裝在填料塔中，其主要結構(見圖1)包括環形頂板、導流葉片、分流板以及內筒。雙切向環流式氣體分布器塔段模型見圖2。分布器入口位于塔段中，分流板豎直通過分布器入口的中心，環形頂板外徑與塔段內壁緊貼，導流葉片位于內筒與塔壁間的環形通道內。氣體從分布器入口進入后，分流板將其分為兩股，分別進入分布器內筒和塔壁間的環形通道。環形頂板外徑與塔段內壁緊貼，防止進入的氣體由頂板上側流出。氣體經導流葉片作用后分布到塔內不同區域，實現氣體的均布。導流葉片將進入環形通道的氣流導入塔底，使其由塔底向上流動，并經由分布器出口流出。

基于對雙切向環流式氣體分布器的結構參數研究，確定氣體分布器的基礎結構參數[9]。塔段內壁直徑為6 000 mm，入口直徑為1 220 mm，內筒高1 500 mm，環形頂板寬度為500 mm，距離分流板最近的導流葉片高450 mm，其余導流葉片高度按照150 mm等差遞增；分布器內筒、環形頂板和導流葉片厚度均為10 mm；導流葉片和分流板寬度與環形通道寬度一致，分流板高度與內筒高度一致。以分布器上端面為基準，分布器上下兩段塔段均高2 500 mm。將此模型稱為基準模型。利用ANSYS模塊Geometry建立雙切向環流式氣體分布器物理模型及相應的塔段模型。

圖1 雙切向環流式氣體分布器主要結構

圖2 雙切向環流式氣體分布器塔段模型

2.2 網格劃分

由于雙切向環流式氣體分布器部分結構較為復雜，本文模擬中網格劃分采用適應性更好的非結構化網格。利用ANSYS模塊Mesh進行網格劃分，Physics Preference設置為CFD，Relevance設置為100，Relevance Center設置為Fine，網格類型的選擇中，Method選擇Tetrahedrons。

2.3 各項設置

① 模型及邊界條件設定

啟動Fluent15.0，選擇3D雙精度計算器，將劃分好的網格導入到Fluent中。

求解器設置中，選擇類型Pressure-Based、速度形式Absolute、瞬態模擬。

開啟湍流模型，湍流模型選取標準k-ε模型，近壁處采用標準壁面函數。

模擬使用介質為空氣，區域fluid材料設置為air，密度按照incompressible-ideal-gas考慮。

重力加速度為9.81 m/s2，操作壓力設置為常壓，設置進口為velocity-inlet，給定分布器入口速度為35.64 m/s，分布器出口設為壓力出口，相對壓力為0。

② 其他設置

求解器采用壓力求解器，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。為保證模擬過程較好地收斂，松弛因子均設置為0.1，壓力差值與流向參數差值均選用精度更高的二階迎風格式。初始化時，Initialization Methods選擇Standard Initialization，Compute from選擇all-zones，對全區域進行初始化，時間步長為0.001 s。

3 性能評價指標

① 氣體分布不均勻度M

采用氣體分布不均勻度M衡量均布性，對分布器出口進行整體性評價，是目前對分布器均布性能較為常用的評價方法，M越小，均布性能越好。M計算公式為：

(1)

式中 M——氣體分布不均勻度

n——分布器出口平面取點數量，取61，61個點在出口平面均勻分布

ui——第i個出口測點的模擬氣體流速，m/s

u——所有出口測點的平均模擬氣體流速，m/s

② 壓力損失Δp

分布器壓力損失即氣體通過分布器的壓力損失。壓力損失越小，分布器性能越好。分布器壓力損失定義為氣體進口處與出口處的壓力差，見式(2)：

Δp=pin-pout

(2)

式中 Δp——分布器壓力損失，Pa

pin——氣體進口壓力，Pa

pout——氣體出口壓力，Pa

4 模擬結果及優化方案分析

對基準模型進行數值模擬，得到分布器出口速度分布截圖，見圖3。由圖3可知，遠離入口側的紅色區域氣體流速較大，靠近入口側的藍色區域氣體流速較小，局部區域出現回流。通過計算得到分布器出口氣體分布不均勻度為1.472，壓力損失為1 084.07 Pa。分析原因可知，回流及速度不均的產生與頂板的寬度、位置有關，頂板上側氣量較小易產生回流。針對該問題，提出在頂板增加出氣孔、調整頂板寬度、調整頂板位置3種優化方案，并進行數值模擬研究，旨在為分布器的結構改進提供一定的方向。

圖3 分布器出口氣體速度分布截圖

4.1 分布器頂板增加出氣孔

分布器頂板上方氣量小易導致回流的產生。通過理論分析，在分布器頂板上開孔，可增加頂板上方氣量，減小頂板上方氣體與塔中心氣體的速度差，達到降低回流的目的。在基準模型基礎上進行開孔，開孔方式為均勻等距圓形開孔，開孔直徑為250 mm，設置頂板開孔數量分別為4、6、8、10、12。頂板開孔數量為10的模型見圖4，在分布器頂板增加10個出氣孔后的出氣孔位置速度矢量圖見圖5。通過模擬計算分析不同開孔數量下分布器的壓力損失和均布效果。

圖4 分布器頂板開孔數量為10的模型

圖5 在分布器頂板增加10個出氣孔后的出氣孔位置速度矢量圖

從圖5可以看出，在分布器頂板開孔后，氣體沿開孔流出，可在一定程度上減輕頂板上側回流。為對分布器頂板增加出氣孔這一結構改進方式進行分析，給出不同開孔數量下分布器的壓力損失與氣體分布不均勻度，分別見表1、2。壓力損失與氣體分布不均勻度都是通過模擬得到相關參數值，然后根據公式(1)、(2)計算得到的。

表1 不同開孔數量下分布器的壓力損失

表2 不同開孔數量下氣體分布不均勻度

從表1可以看出，隨著分布器開孔數量增多，分布器壓力損失逐漸降低。當開孔數量為4和6時，分布器壓力損失與未開孔時相差較小；當開孔數量達到8時，分布器壓力損失下降較明顯。分析認為，氣體與環形頂板的沖擊、摩擦所產生的能量損失為分布器壓力損失的一部分，進氣口附近氣體流速較高，產生的沖擊力、摩擦力較大，能量損失較大。當開孔數量較少時，在進氣口附近的圓孔較少，氣體與環形頂板的沖擊、摩擦面積變化不大，故壓力損失相比未開孔時下降較少；而當開孔數量增多時，進氣口附近的圓孔數量增多，氣體與環形頂板的沖擊、摩擦面積減少，故壓力損失下降明顯。由此可見，分布器頂板開孔對于降低分布器壓力損失有一定積極作用。

表2表示氣體分布不均勻度隨開孔數量的變化規律。從表2可以看出，環形頂板開孔使得氣體分布不均勻度相對未開孔時有所下降，且隨著開孔數量的增多，不均勻度有下降的趨勢。根據不均勻度的變化規律，當開孔數量達到8個及以上時不均勻度下降較大，故分布器頂板開孔對于分布效果有一定積極作用。

綜合分析表1與表2，在分布器環形頂板開孔能夠在一定程度上降低分布器壓力損失并減小氣體分布不均勻度。在本文的模擬條件下，頂板開孔后相比未開孔時壓力損失最大降低18.04%，氣體分布不均勻度最大降低9.10%，故此種結構改進對氣體分布器有一定的積極作用。

4.2 調整分布器頂板寬度

在基準模型基礎上，通過調整分布器頂板寬度，使頂板與塔壁之間留有一定空隙，部分氣體能夠從空隙中流出，增加頂板上方的氣體速度，從而減少回流。調整頂板寬度分別為0、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm，通過模擬計算分析不同頂板寬度下分布器壓力損失和均布效果。

調整頂板寬度后，氣體沿頂板與塔壁間隙流出，可在一定程度上減輕頂板上側回流。為對調整分布器頂板寬度這一結構改進方式進行分析，給出不同分布器頂板寬度下分布器壓力損失與氣體不均勻度變化，分別見表3、4。

表3 不同頂板寬度下分布器壓力損失

表4 不同頂板寬度下氣體分布不均勻度

從表3可以看出，隨著頂板寬度增大，分布器壓力損失逐漸升高。分析認為，分布器壓力損失包含氣體與環形頂板的沖擊、摩擦所產生的能量損失，當頂板寬度為500 mm時，氣體與環形頂板的接觸面積較大，氣體與頂板產生的沖擊力、摩擦力較大，導致壓力損失較大；隨著頂板寬度的減小，氣體與環形頂板的接觸面積隨之減小，氣體與頂板產生的沖擊力、摩擦力也變小，壓力損失降低。當頂板寬度為0時，即分布器無頂板時，分布器壓力損失大幅度下降。由此可見，減小分布器頂板寬度對于降低分布器的壓力損失具有積極作用。

從表4可以看出，隨著分布器頂板寬度的增加，氣體分布不均勻度先增大后減小。分析認為，當分布器頂板寬度在0～400 mm時，氣體能夠從頂板與塔壁間的空隙流出，增加頂板上方的氣體速度，從而提高均布性；當分布器頂板寬度在400～500 mm時，由于頂板與塔壁間的空隙較窄，頂板上方氣體流速過大，頂板上方不同區域的速度差異增大，從而產生新的回流區，不利于氣體均布。

綜合分析表3與表4可知，調整分布器頂板寬度能夠降低分布器的壓力損失，并且在一定范圍內減小氣體分布不均勻度，提高均布效果。當分布器頂板寬度為0時，即當分布器環形頂板完全摘除時，分布器壓力損失以及氣體分布不均勻度相對于未做調整時分別下降29.24%與15.90%，分布器綜合性能明顯提升。因此，可將摘除分布器頂板作為分布器結構改進的重要方向。

4.3 調整分布器頂板位置

在基準模型基礎上，將分布器頂板向上移動一定距離，使氣體在向上運動過程中繞過頂板并到達頂板上方，從而減少回流。圖6為調整頂板位置后的分布器模型。

圖6 調整頂板位置后的分布器模型

將分布器頂板上移0、100 mm、300 mm、500 mm、700 mm、900 mm，通過模擬計算分析不同頂板位置下分布器壓力損失和均布效果。上移頂板位置后，氣體沿頂板下方的空隙流出，可在一定程度上減輕頂板上側回流。為對調整分布器頂板位置這一結構改進方式進行分析，給出上移不同分布器頂板位置下分布器壓力損失與氣體不均勻度變化，分別見表5、6。

表5 頂板上移不同高度時分布器壓力損失

表6 分布器頂板上移不同高度時氣體分布不均勻度

從表5可以看出，隨著分布器頂板上移高度的增加，分布器的壓力損失逐漸降低。分析認為，隨著分布器頂板上移，一部分氣體經過分流板分流后直接從頂板下方的空隙流出，不與頂板發生沖擊、摩擦；隨著頂板上移高度的增加，從空隙中流出的氣體量也會增加，能量損失進一步減少，分布器壓力損失也隨之降低。故分布器頂板上移對降低分布器壓力損失具有一定作用。

從表6可以看出，隨著頂板上移高度的增加，氣體分布不均勻度逐漸減小，但減小的幅度十分有限，可以認為分布器頂板上移對分布器的均布效果影響不大，對于回流現象的減輕效果不明顯。

綜合分析表5和表6可知，在本文模擬條件下，將分布器頂板向上調整一定距離對降低分布器壓力損失有一定積極作用，分布器壓力損失較未做調整時最大下降13.27%，但對氣體分布效果的提升作用有限，氣體分布不均勻度較未做調整時最大下降僅4.62%。從分布器綜合性能方面考慮，此結構優化方案不理想。

5 結論

① 雙切向環流式氣體分布器因壓力損失小、氣體分布效果好、液沫夾帶量小、綜合性能優良而被廣泛應用于填料塔內，但雙切向環流式氣體分布器存在局部氣體流速小、回流現象明顯的問題。因此，應該通過結構改進提高氣體分布器的綜合性能。利用FLUENT軟件模擬雙切向環流式分布器內的流場分布，分析產生不均性的原因。模型中塔段內壁直徑為6 000 mm，入口直徑為1 220 mm，內筒高1 500 mm，環形頂板寬度為500 mm，距離分流板最近的導流葉片高450 mm，其余導流葉片高度按照150 mm等差遞增；分布器內筒、環形頂板和導流葉片厚度均為10 mm；導流葉片和分流板寬度與環形通道寬度一致，分流板高度與內筒高度一致。以分布器上端面為基準，分布器上下兩段塔段均高2 500 mm。將此模型稱為基準模型。在基準模型基礎上，分別在分布器頂板上增加出氣孔，調整分布器頂板寬度，調整分布器頂板位置，模擬調整后的內部流場分布，為分布器的結構優化設計提供方向。

② 調整分布器頂板寬度能夠有效降低分布器壓力損失，提高氣體均布性。在本文模擬條件下，當分布器環形頂板完全摘除時，分布器壓力損失以及氣體分布不均勻度相對于未做調整時分別下降29.24%與15.90%，分布器綜合性能得到明顯提升，因此可將摘除分布器頂板作為分布器結構改進的重要方向。

③ 在分布器環形頂板開孔能夠在一定程度上降低分布器壓力損失，提高氣體均布性。在本文的模擬條件下，頂板開孔后相比未開孔時壓力損失最大降低18.04%，氣體分布不均勻度最大降低9.10%。故環形頂板開孔可作為分布器結構改進的一個參考方向。

④ 調整分布器頂板位置對于降低分布器壓力損失有一定積極作用，但對氣體分布效果的提升作用有限，分布器壓力損失以及氣體分布不均勻度相對于未做調整時分別下降13.27%與4.62%，此種結構改進方法效果并不理想。