三維數(shù)值分析聚丙烯D502流化床干燥器

陳志敏 李 莉 馬天鑫 張萬(wàn)堯 梁元月

（1.中國(guó)石化工程建設(shè)公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

目前聚丙烯工藝最成熟、運(yùn)用最多的是環(huán)管法， 其中D502流化床干燥器是關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備之一。 為保證聚丙烯裝置穩(wěn)定、安全且經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，研究D502流化床干燥器內(nèi)部的流動(dòng)情況至關(guān)重要。

工藝計(jì)算、分布板和流化床構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定是設(shè)計(jì)D502流化床干燥器的關(guān)鍵內(nèi)容。分布板的結(jié)構(gòu)形式不僅決定干燥器的工藝性能，而且直接影響聚丙烯裝置的運(yùn)行周期。 國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)D502流 化 床 干 燥 器 進(jìn) 行 了 理 論 計(jì) 算 分 析［1，2］。為了進(jìn)一步系統(tǒng)地研究D502流化床干燥器內(nèi)部流動(dòng)特征，筆者運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)D502流化床干燥器進(jìn)行三維數(shù)值分析，重點(diǎn)研究分布板舌形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為進(jìn)一步改進(jìn)干燥器結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立

以目前國(guó)內(nèi)在用的3種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔高×孔寬）的舌形孔（圖1）為研究對(duì)象，分別為2.0mm×6.0mm（A型孔）、2.5mm×6.0mm（B型孔）和2.9mm×9.0mm（C型孔），著重分析分布板舌形孔為B型孔時(shí)，干燥器的內(nèi)部流場(chǎng)。

圖1 舌形孔結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［3］對(duì)干燥器的三維模型進(jìn)行劃分，并完成網(wǎng)格無(wú)關(guān)性處理。 邊界條件分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖2 干燥器的三維模型和網(wǎng)格劃分

1.2 控制方程

對(duì)流體進(jìn)行理想化假設(shè)，認(rèn)為是不可壓縮介質(zhì)，所以方程式采用不可壓縮流體方程式，并且不考慮能量方程。

連續(xù)方程的表達(dá)式為：

動(dòng)量方程即N-S方程， 不可壓黏性流體動(dòng)量方程的微分方程式為：

雷諾時(shí)均方程是由N-S方程經(jīng)過(guò)時(shí)均化處理得到，具體的表達(dá)式為：

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型， 湍動(dòng)能k和耗散率ε的表達(dá)式分別為：

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍流渦黏性系數(shù)vt、 湍動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程可表示為：

式中Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)，σk和σε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，輸運(yùn)方程中的常數(shù)是通過(guò)對(duì)典型流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和算例結(jié)果進(jìn)行最佳擬合后得到，分別為：Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 結(jié)果分析

2.1 3種舌形孔的流場(chǎng)分析

圖3為3種舌形孔孔流速度與壓差的關(guān)系曲線。 由圖3可看出，對(duì)于同一孔，孔流速度隨壓差的增大而增大，基本呈線性分布趨勢(shì)；在同一壓差下，A型孔和B型孔的孔流速度明顯高于C型孔，說(shuō)明孔寬和孔高都增大， 即孔截面積增大時(shí)，孔流速度自會(huì)降低。 另外，A型孔和B型孔的孔流速度相差不大，B型孔略微高于A型孔， 說(shuō)明孔截面積相差不大時(shí)，其孔流速度與截面積大小不成比例。

圖3 3種舌形孔孔流速度與壓差的關(guān)系曲線

圖4為3種舌形孔在5、10、17kPa壓差下的壓力云圖。 由圖4可看出，壓力在分布板下方逐漸增大并達(dá)到最高值，通過(guò)舌形孔時(shí)，壓力逐漸降低達(dá)到很小的值。 如此大的壓力變化梯度，保證了氣流通過(guò)孔的速度。

圖4 3種舌形孔在5、10、17kPa壓差下的壓力云圖

圖5為5、10、17kPa壓差下流體流經(jīng)3種舌形孔時(shí)的速度云圖。 由圖5可看出，流體在分布板下方流速較小，通過(guò)舌形孔時(shí)以噴射狀流出（此時(shí)速度最大），形成非常大的速度梯度，有利于分布板上的物料形成流態(tài)化， 可提高設(shè)備的干燥效率。

圖5 5、10、17kPa壓差下流體流經(jīng)3種舌形孔時(shí)的速度云圖

2.2 干燥器內(nèi)部流場(chǎng)分析

對(duì)分布板舌形孔為B型孔的干燥器進(jìn)行流場(chǎng)分析。 圖6為x=0截面速度矢量圖。 由圖6可看出，從進(jìn)口進(jìn)入的流體在分布板以下基本均勻流動(dòng)，通過(guò)舌形孔口時(shí)速度最大且流動(dòng)方向有所改變。

圖6 x=0截面速度矢量圖

圖7為x=0截面的壓力和速度云圖。 由圖7a可看出，流體通過(guò)舌形孔時(shí)壓力逐漸降低。 由圖7b可看出， 流體在分布板以下的流動(dòng)狀況基本均勻，只在很小區(qū)域出現(xiàn)回流和紊流，對(duì)流體流動(dòng)影響不大；流體通過(guò)舌形孔時(shí)速度逐漸增大形成大的梯度變化， 使設(shè)備內(nèi)部物料形成強(qiáng)的流態(tài)化，進(jìn)而提高設(shè)備的干燥效率。

圖7 x=0截面的壓力和速度云圖

圖8為正視分布板流體流動(dòng)矢量圖。 由圖8a可看出，流體流動(dòng)隨分布板上舌形孔的開(kāi)孔方向變化而變化，流動(dòng)形式為先順時(shí)針流動(dòng)，然后沿徑向流向中心， 物料在設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間被延長(zhǎng)，增強(qiáng)換熱效果，提高干燥效率，該流體流動(dòng)狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)的（圖8b）完全一致。

圖8 正視分布板流體流動(dòng)矢量圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)D502流化床干燥器進(jìn)行數(shù)值分析，直觀地表征了其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。 著重對(duì)比分析目前實(shí)際運(yùn)用的3種分布板舌形孔在不同壓差下的流場(chǎng)分布：流體通過(guò)舌形孔時(shí)形成非常大的壓力變化梯度，利于物料形成流態(tài)化； 孔的出流速度與截面積不成比例。 分析結(jié)果可為進(jìn)一步優(yōu)化干燥器結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。