填料塔氣體分布裝置的結構優化和流場模擬

摘 要：本文主要介紹了雙葉片氣體分布器和雙切向循環氣體分布器的主要結構特點。在相同塔徑、相同進口直徑和不同進氣速度的條件下，分別對兩種氣體分布器和優化分布器的流場進行了模擬，分析了主體結構對配氣的影響，驗證了結構優化的合理性，希望能夠借此幫助相關研究者進行工作設置。

關鍵詞：填料塔氣體分布器;流場模擬;結構優化

1 氣體分布器的介紹

隨著新型高孔隙率、低壓降、高效填料的不斷開發和研究，以及大型淺層填料塔的廣泛應用，塔內氣流可以均勻分布在第一填料床上的傳統觀點已被研究人員在研究過程中否決。針對組合式塔內的氣體分配，介紹了雙葉片氣體分布器和雙切向循環氣體分布器的主要結構特點。在相同塔徑、相同進氣直徑和不同進氣速度的條件下，分別對兩種氣體分布器和優化分布器的流場進行了模擬，分析了主體結構對配氣的影響，驗證了結構優化的合理性。

1.1雙列葉片式氣體分布器

雙排葉片氣體分配器的氣體沿著入口直徑流入塔中。入口兩側有兩排弧形導葉，頂部和底部采用封閉結構。氣流沿兩排葉片從左右兩側分離，并流向塔壁。塔體兩側空氣流量大，在氣流中心形成漩渦，結構氣速分布均勻，夾帶液體少，強度低，結構緊湊，適用范圍廣，已成功應用于直徑大于10m的大型填料塔。

1.2雙切向環流式氣體分布器

雙均循環氣體分布器的氣相流在進入塔前，由左右對稱結構的擋板將其分為兩股，然后分別進入內外套筒之間的弧形通道。由于材料沿弧形通道移動時產生的離心力，液滴被拋到塔壁，并沿塔壁向下流動。擋板位置的高度沿環形通道逐漸布置，氣體被弧形擋板攔截，依次分為多股流體，沿擋板曲線流向塔底，然后返回并向上流動，并通過內套筒進入分配器上方的空間。電弧通道、引弧板、下塔空間和分配器上方空間的共同作用，使原料氣在塔中均勻分布。其氣速分布相對均勻，液體泡沫入口小，阻力影響小，綜合性能好，應用范圍廣，廣泛應用于直徑超過10米的大型填料塔。

2 氣體分布器的流場模擬理論

該分析方法的優點是推導結果具有普遍性，幾個影響因素清晰可見，可作為指導實驗研究和驗證新的數值計算方法的理論依據。為了獲得理論的抽象結果，保證研究的有序性，需要對模型進行簡化，特別是對于非線性情況，只有少數流動狀態可以給出理論分析結果。實驗測量方法得到的結果更加真實可靠，這一結果是理論分析和數值方法的基礎，其重要性不容低估。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場攝動、人為因素和測量精度的限制，難以通過實驗方法獲得復雜流場的精確結果。此外，實驗方法也會遇到很多困難和不便，如資金不足、人力物力成本巨大、周期長等。計算流體方法（CFD）克服了前兩種方法的不足，CFD采用數值模擬方法，通過計算機求解描述流體運動的數學方程，結合物理方程和邊界條件的配置，揭示流體運動的物理規律，能夠研究穩定流體運動的空間物理特性和不穩定流體運動的物理時空特性。常用的CFD軟件解算器基于有限體積法，將計算和分析模型離散為一系列控制體積。根據這些控制體積，得到質量、動量和能量守恒的一般方程，然后將偏微分方程離散為代數方程。最后，用數值方法求解方程組，得到流場計算結果。隨著計算技術的不斷發展，fluent、CFX等計算流體力學軟件層出不窮，使得計算流體力學方法的廣泛應用成為可能。

2.1 氣體分布器的流場模擬

流體流動模擬包括以下步驟：（1）確定物體的流動特征;（2）建立物理模型和網格;（3）建立數學模型進行驗證;（4）數值計算，包括邊界條件和初值的調整、方程的離散化和方程的求解;（5）模擬結果的處理和分析。

為了能夠更好的簡化實驗具體的模擬過程，筆者根據相關理論進行了以下假設：（1）介質為20℃空氣，規定的進氣流速分別為15m/s、20m/s和25m/s;（2）除氣體入口和出口外，所有墻面均為剛性光滑表面;（3）壁面不采用滑動極限條件，湍流采用標準壁函數法處理。進氣口采用初始速度條件，排氣口采用初始中壓條件，這種結構更容易獲得收斂結果。計算方法采用雙精度條件下的有限體積法，迭代次數設置為5000次。分別計算了兩種氣體分布器和兩種改進型氣體分布器中的速度場分布。

2.2 流場模擬結果的討論

（1）關于雙線葉片結果的討論：對于相同結構的雙線葉片氣體分布器，速度場分布規律是相同的，在輸出平面內靠近內壁表面有兩個不等速度區域，這證明了兩個位置都存在偏流現象，因此有必要對分配器的結構進行優化。（2）關于雙切向循環結果的討論：對于相同結構的雙線葉片氣體分布器，速度場分布規律是相同的，并且在輸出平面內靠近壁面有兩個不等速度區，這證明了兩個位置都存在偏流現象，因此有必要對分配器的結構進行優化。（3）關于雙排葉片（帶分配環）結果的討論：雙排葉片（帶分配環）結構的氣體分配效果優于原型，偏流面積顯著減小，但壓降增加。（4）關于雙切向循環（帶橫向擋板）結果的討論：與原型相比，雙排葉片（帶分配環）氣體分布器顯著改進，偏流面積顯著減小，但壓降增加。（5）壓降和均勻性的比較壓降指數和均勻性和均勻性是氣體分布器的關鍵參數。根據實驗數據，雙線葉片式的壓降較小，改進后的分布器壓降大大增加，但略小于雙切向環流。無論是樣機還是改進型，輸出均勻性均小于70%，均勻分布效果改善不明顯。雙切向循環式的壓降較大，改進后的壓降提高了20%左右，均勻性優于第一種。改進后的均勻分布效果接近73%（高于分配器2m），證明改進后的結構能有效改善均勻分布效果。

3 結論

填料塔具有效率高、壓降低、流量大、適應性強等優點。氣體分布器廣泛應用于蒸餾、吸收和分離等化工裝置操作中。在設計和選擇填料塔內部時，應注意氣體分布器與包裝性能之間的對應關系。只有當這兩種結構合理時，填料塔的設計才能更加合理。隨著計算機技術、計算流體力學等先進設計方法和研究方法的發展，不斷推動填料塔內部結構的深入研究。通過流體計算軟件獲得了包裝塔內氣體的流動狀態，并結合相關實驗結果掌握了塔內氣體的流動規律，為改進組合塔初始氣體分布器的結構提供理論依據和技術支持。

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姓名：李鵬（1986.10-04-）;性別：男，籍貫：江蘇省南京人，民族：漢族，學歷：本科，畢業于揚州大學;現有職稱：助理工程師;研究方向：化學工程與工藝。