隔板塔氣相分配器的CFD模擬研究

王宗浩，陸金仁，王二強，安維中

(1.中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100；2.中國科學院大學 化學科學學院，北京 100049)

隨著節能減排及綠色化工等政策的逐步推動，建設資源節約型和環境友好型化工生產的觀念深入人心，化工行業作為能源密集型產業，特別是精餾工段，其能源消耗是巨大的。因此開展化工過程節能強化，減少資源能源浪費是迫切需要解決的。隔板精餾技術由于其出色的節能潛力引起了廣大科研工作者和企業的關注[1-4]。所謂隔板塔：就是塔體內部加有垂直隔板，把塔體分為上中下三部分，相較于傳統雙塔序列可以減少一個冷凝器和再沸器，相較于普通Petlyuk耦合塔可以節約占地面積。因而具有節約操作費用和建設成本的潛力。

但是隔板塔內部耦合嚴重，同時中間隔板又增添了分液比、分氣比兩個新變量。使得計算機模擬以及實驗探究都變得十分困難。從水力學角度看，隔板塔的關鍵難題就是塔內部添加隔板帶來分氣比的分配、維穩、控制等問題。該問題實質上是要確保隔板兩側壓降在最優分氣比下達到持續穩定的平衡。文獻上針對分氣比的調整手段，有采用閥門[5-6]、液位高度[7]等等。通過液位高度來調整分氣比，具有簡單方便高效便捷的特點，但文獻中對其水力學行為研究較少。

本文采用CFD模擬的手段，研究了隔板塔內分氣比控制核心內件的調壓能力。通過模擬確定較優的幾何構型以及進口氣速和液位高度對壓降的影響關系，為隔板塔的工業推廣和分氣比維穩控制提供理論支持和價值參考。

1 CFD模型建立及必要性

氣相分配器具有操作彈性大，靈活性強，易于控制等特點，同時對于氣相具有一定的 均布作用。本構型采用文獻中的設計構思[8]，通過調節液位高度來控制升氣管外管側壁開孔面積的大小來控制氣相通過截面積，進而控制隔板兩側的壓降最終達到控制分氣比的目的。該控制方法構思新穎，控制簡便，可控性強，但是文中并未給出液位高度與壓降的關系，僅僅通過實驗探究得到了可以通過控制液位高度來控制分氣比的結論。對于自身幾何構型的優化，進口氣速以及液位高度對壓降的影響關系卻并未給出。特別是幾何構型對于壓降的影響，若通過實驗探究的方式將十分的耗時、耗力和浪費金錢。同時其它文獻中有過類似幾何構型的液相收集器和液相分配器的CFD模擬研究，其模擬結果與實驗研究吻合度極高，所以為通過CFD模擬研究水力學流動狀態提供了可靠支撐[9-12]。

為了保證后期實驗探究時幾何構型是較為合理的，所以首先進行幾何構型的優化。之后進行可控變量的理論探究。由于該氣相分配器是氣液分路流動，兩相接觸面積極小對于探究點而言可以忽略，所以為了簡化模擬以及減小計算模擬難度，本次模擬采用單氣相模擬，對于液位高度的調節則可以通過升氣管外管開孔的幾何填補來進行近似處理。該近似處理對于實驗探究的準確度是沒有任何影響的。

本次幾何構型的創立以及網格的劃分選用ICEM CFD 17.0進行處理，采用非結構網格以及關鍵壁面加密處理的網格劃分思路，如圖1和圖2所示，圖一可知局部加密尺寸是遠遠小于全局尺寸的，使得網格具有良好的精度。圖二即為分配器局部加密尺寸的放大圖。全局最大網格尺寸為20，關鍵壁面處最大網格尺寸為6，邊界層劃分5層，第一層厚度為0.022mm ，對于模型的求解計算選用fluent17.0。查閱同類型模擬計算的設定選用標準k-epsilon湍流模型，速度入口以及壓力出口(pressure-out)作為邊界條件進行穩態流動模擬。對于控制求解選用SIMPLE方法。其余設置保持默認即可[13-15]。

圖1 整體構型的網格Fig.1 Overall configuration of the grid

圖2 局部網格加密Fig.2 Local mesh encryption

2 結果分析

2.1 幾何構型優化

對于流體流動而言，任何一個幾何構型都會帶有本身固有壓降。但是作為隔板塔的塔內件，如果用于真空填料塔，那么就需要壓降盡量的減小防止破壞真空操作條件。同時氣相分配器作為一個額外添加的塔內件，需要盡量弱化其自身對塔內流動狀態的影響。通過圖3與圖4相比較，升氣管外管為圓形弧頂的壓降要小于平頂。即為弧頂的氣相轉向壓降要小于平頂的構型。其次通過不同的升氣管外管開孔數目以及開孔寬度的模擬比較可知，升氣管外管的開孔寬度應趨于偏小，開孔數目不需要太多，超過一定數量之后將不會弱化分配器固有壓降。通過圖4與圖5比較可知，升氣管整體高度的增加有助于提高分配器的調壓范圍，對于具體物系及操作條件可以設計專一的升氣管高度。對本構型而言，升氣管外管開孔數目為36，開孔寬度為3mm，此時的壓降變化具有實用價值。對于底板的開孔應該盡量的趨于偏大且均勻分布，以減少底板的壓力損失。因此對氣相流動和操作可行性以及控制靈敏度等問題綜合考慮之后，決定選用窄開孔的高升氣管管型如圖5所示。該管型壓降比較低，同時外管的高直窄開孔對于液位的靈敏度比較高，控制可行性強。相較于窄槽式(圖3)，其壓降可能會稍微偏大，但是用于液相流量不大的填料塔會更加適合，且均布升氣管會更加有助于氣相均勻分布，滿足填料對于氣相均布的要求。

圖3 窄槽型氣相分配器Fig.3 Narrow slot type gas distributor

圖4 升氣管型氣相分配器Fig.4 Gas pipe type gas distributor

圖5 升氣管型氣相分配器Fig.5 Gas pipe type gas distributor

2.2 進口氣速與壓降的關系

對于該升氣管構型的分配器而言，壓力降主要分為四部分：即為氣相主體流經底板時產生的收縮壓降△P1；流經內升氣管產生的摩擦壓降△P2；在升氣管頂部發生氣流轉向的轉向壓降△P3；以及流經外升氣管側壁開孔時產生的收縮壓降△P4。各壓降在升氣管的具體位置參見圖6。因而總壓降就是四部分的加和。通過CFD模擬可以獲得總壓降的數值，最終通過改變邊界條件和幾何構型獲得了不同氣速以及液位高度的總壓降值。具體數值參見表1。

圖6 各壓力分布簡圖Fig.6 Pressure distribution diagram

表1 不同進口速度及液位高度下的總壓力降Table 1 Total pressure drop at different inlet speeds and level heights Pa

通過表1數據可以擬合得到進口氣速與壓降的關系，通過origin8.0分別用兩個可能的關系式進行擬合：

擬合了各個液位高度下的壓降曲線，通過origin自帶的比較功能得到下式更加吻合。

相同液位高度下進口氣速對壓降的影響擬合獲得的K值見表2。

表2 進口氣速對壓降影響的擬合K值Table 2 Fitting K value of inlet gas velocity on pressure drop

通過表2可以看出不同的液位高度具有不同的K值，這主要是由于液位高度不同，也就相當于升氣管外管側壁面出口面積不同，因而導致分壓降△P4不止隨著進口氣速變化而且隨著液位高度而發生變化，但是K值卻是主要擬合進口氣速的變化規律，所以K值的不同也能反映一定的出口氣速變化規律，我們可以看到隨著液位高度的增加，K值有逐漸減小的趨勢。通過擬合K值可以得到進口氣速與壓降的關系，即為固定液位高度下隔板一側氣相流量與壓降的關系，此時對于實際生產控制而言可以利用K值估算當前條件下隔板兩側的氣相流量獲得分氣比，目前對于隔板兩側分氣比的工業測量還沒有有效的手段，該估算對于最優分氣比的調節維穩具有極大的指導作用。圖7和圖8可以看到氣相分配器的壓力場和速度場分布。

圖7 ZX截面壓力場分布Fig.7 ZX section pressure field distribution

通過圖7和圖8可看出fluent模擬是完全收斂的，其模擬準確度可以得到保證。

2.3 液位高度對壓降的影響關系

固定進口氣速等邊界條件，探究了液位高度在0～130mm之間的壓降變化關系，具體數值可以參見表1。同樣采用兩個可能的關系式進行公式擬合，并且添加了如下公式：

通過origin的公式比較功能得到以下公式更加吻合：

相同進口氣速下液位高度對壓降影響擬合獲得的K1值和y0參見表3。

表3 液位高度對壓降影響的擬合K值Table 3 Fit K value of liquid level height on pressure drop

通過表3的數值我們可以看到，液位高度的變化對于K1值是沒有什么影響的，但是y0卻隨著氣速的增加而逐漸變大。我們知道每一個進口氣速都對應著單獨的△P1、△P2、△P3以及△P4，所以進口氣速不同必然導致△P1、△P2、△P3發生變化，同時對于△P4的變化可能已經擬合到了K1值中去，所以后期用進口氣速去擬合y0時效果并不好，因此y0值需要估算后作為常數。通過該擬合公式可以得到固定氣相流量下液位高度與壓降的關系 ，對于生產控制而言即為可以通過調節分配器的液位高度估算該側的壓降來調節隔板兩側的壓降，最終在最優分氣比條件下達到隔板兩側壓降平衡，該擬合公式即為壓降調節的手段與工具，通過y0和K1值調節液位高度使得當前壓降到達目標壓降。

其通過壓力場數據的分析以及origin對公式的擬合得到了進口氣速與壓力的關系和液位高度與壓力的關系。其擬合公式卻有所不同，在此做一個可能的解釋：當固定進口氣速探究液位高度與壓降的關系時，是以液位為自變量，也就是出口氣速U2作為自變量，通過圖6的壓力分布我們可以知道此時自變量對于△P1、△P2、△P3是沒有什么影響的，所以我們可以把△P1+△P2+△P3作為常數看待。且該常數是隨著U1的增大而增加的。 K1值則作為對液位變化規律的總結。因此該公式是比較適合該變化的：

但是當固定液位高度探究進口氣速與壓降的關系時，進口氣速的變化必然會導致△P1、△P2、△P3、△P4都發生變化，因而此時下式會更加適合：

但是不同的液位高度其擬合的K值卻不同，其主要是因為出口氣速的計算是以進口氣速乘以塔截面積后除以總側壁開孔面積得到的平均出口氣速，因此相對而言在這里引入了一個新的變量U2，最終導致K值隨著液位高度(側壁開孔面積的減小)的增加而減小。

3 結論

通過對幾何構型的改進獲得了較優的適用于隔板填料塔的內件構型，其具體考慮因素為氣液相流量大小，極限液位高度，側壁開孔面積大小，側壁開孔對于液位的靈敏度，本身幾何構型壓降的弱化等問題。通過對速度場壓力場的綜合分析可以獲得速度壓力的分布，指導幾何構型的改進，最終得到較優的幾何構型。

通過擬合公式將取點模擬變為曲線的連續關系，為實際生產中任意點的變量關系提供了計算與指導意義。并獲得了進口氣速(進口流量)通過中間變量液位高度與壓降的關系，以液位高度為調節手段，以隔板兩側壓降平衡為目標，獲得相對較為準確的分氣比，對于工業最優分氣比的維穩控制提供了良好的理論支撐和價值參考。

總結而言，該構型氣相分配器確實具有控壓能力，對于隔板塔分氣比的控制實用性比較強，其通過液位高度這一中間變量實現了對壓降的可靠控制，其可操作性、實用性、控制靈敏度都比較高。同時通過對變量間關系的公式擬合，后期可以用PID控制進行實際工業應用。

符號說明

△P1——底板處收縮壓降，Pa

△P2——升氣內管處壓降，Pa；

△P3——氣相轉向壓降，Pa；

△P4——升氣管外管側孔處壓降，Pa；

K——擬合常數；

K0——擬合常數；

K1——擬合常數；

ρ——流體密度，kg·m-3；

uarv——進口氣速與出口氣速的均值，m·s-1；

U1——進口氣速，m·s-1；

U2——出口氣速，m·s-1；

y——通過氣相分配器的總壓降,Pa。