基于Fluent的中心筒結構轉化器數值模擬

劉嬌洋，陳文江

（1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038；2.深圳市城市公共安全技術研究院，廣東深圳 518046）

隨著硫酸生產工藝的發展，單系列生產能力不斷增大，這就要求制酸裝置的規格也更大。然而轉化器的大型化產生了氣流分布欠均勻的問題，進而影響了轉化率。為了使氣流分布均勻，大多數轉化器由傳統的側進氣改為中心筒[1-2]進氣，同時將換熱器設在中心筒內。這種結構不僅使氣流均勻分布，還代替了傳統轉化器的立柱，省去了熱交換器與轉化器之間的連接管道，減少了設備配置用地。同時對轉化器本體、各段隔板以及催化劑床層構件起到了聯結和穩定的作用。本文擬采用數值模擬的方法對轉化器進行研究，通過模擬分析中心筒開孔數目對氣流分布均勻度的影響，為中心筒結構轉化器的設計提供參考。

1 模型的建立與求解

本文參照實際轉化器建立模型。考慮到網格數量及計算機的計算能力，此處僅選擇中心筒進氣的一段轉化層進行建模計算。由于主要研究對象為轉化器內流體流動情況，故對幾何模型進行簡化，忽略儀表檢測裝置和結構壁厚影響，簡化模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

當轉化器正常工作時，流體呈穩態流動，氣速不高。為了便于提取模型及數值計算，對流場假設如下：1）流體流動為不可壓縮穩態流；2）流體為均質氣體，流動過程不發生相變和化學變化；3）入口氣流均勻分布。

本文計算流體均定義為不可壓縮流體，穩態流動，采用分離式求解器。由于中心筒開孔區域流動狀態復雜，流體處于湍流運動狀態，本文采用工程中最常用的k-標準兩方程模型進行計算[3]。入口選用速度入口，出口選用壓力出口，由于瓷球和觸媒顆粒亂堆填充，故假定瓷球觸媒層為多孔介質區域且各向同性，具體參數依據瓷球和觸媒的顆粒形狀計算。轉化器中的工作介質為SO2、SO3煙氣，本文只需了解混合氣體的分布情況且不考慮化學反應，故定義單一混合煙氣作為工作介質。

參照實際工程工況，文中各結構模擬工況設置如下：進口煙氣流量為260 643 m3/h（標準工況下），溫度為400℃，壓力為37.85 kPa，混合介質密度為0.709 kg/m3，黏度為3.2×10-5Pa·s，依據觸媒型號及觸媒層厚度設置多孔介質阻力系數。

2 模擬結果分析

為了研究中心筒開孔數目對氣流分布的影響，考慮系統阻力,在不小于進氣口截面積的情況下,對中心筒開4孔、6孔、8孔、9孔、10孔5種結構進行模擬分析，5種模型開孔大小保持一致，開孔沿圓周均布。

2.1 可視化圖像分析

為便于分析，本文截取各結構整體速度分布跡線圖和觸媒層進、出口兩個橫截面位置處的速度分布云圖進行對比。

1）整體速度分布跡線圖。為使各結構的流動狀態能夠顯示清晰，此處選取轉化器俯視及主視兩種坐標位置下的速度分布跡線圖進行比較分析。由于各結構開孔數目不同，縮孔效應導致流體在分布孔中流速急劇增大。為體現流體從開孔中流出的真實狀態，圖示中各結構呈現的速度標尺上限值取其流動過程中出現的最大速度。中心筒開4孔、6孔、8孔、9孔、10孔結構跡線分布，見圖2。由圖2可知，開孔結構使得流速在開孔區存在一個縮孔效應，流速急劇增加，開孔數目越少，流速增加程度越大。其中4孔結構出孔流速最大值達65.3 m/s，流體主流直沖筒壁，在轉化器中間部分停留時間很短，流體在筒壁沿兩邊分布開來，大量流體積聚在筒壁邊緣，流體分布非常不均勻；6孔結構出孔流速相對4孔結構減小很多，最大值為46.3 m/s，流體主流仍沖向筒壁，但當一部分流體在未達到筒壁時已逐漸分布開來，流體分布較4孔結構變得均勻；由于8孔結構開孔數目較多，流通面積增大，出孔流速最大值降至42.8 m/s，流體在出孔后不久就逐漸分布開來，整個區域中的分布已相當均勻，已不存在4孔和6孔結構中的跡線空白區；隨著開孔數目的繼續增加，中心孔開9孔和10孔結構雖出孔最大速度與8孔結構接近，但流體在剛出孔的時刻即成散射狀，跡線呈現的速度顏色也趨于集中，速度分布非常均勻。

圖2 中心筒開結構整體速度分布跡線

2）觸媒層進口/出口速度分布云圖。為體現中心筒開孔數目及觸媒層對氣體分布均勻度的影響，此處選取觸媒層進出口兩個橫截面處速度分布云圖進行對比，其中觸媒層進出口兩個截面分別選取在瓷球與觸媒接觸的上下兩個表面。由于進出口方位對流體的分布有影響，圖中標出流體進出口方位以便對其參考分析。各結構觸媒層進出口表面取相同范圍的速度標尺以方便比較。中心筒開4孔、6孔、8孔、9孔、10孔結構觸媒層進口/出口速度分布云圖分別見圖3。

圖3 中心筒開10孔結構觸媒層進口/出口速度分布云圖

對比上述各圖觸媒層進口可以明顯看出，中心筒開4孔結構在觸媒層進口表面上速度云圖顏色非常不均，在正對開孔處接近壁面區流速非常大，流體在筒壁周邊分布較為密集，最大流速達1.84 m/s，且中心筒與筒壁之間的區域呈現大面積的1.47 m/s的低速區。當開孔數目增至6孔時，類似4孔結構的1.84 m/s的高速區域已經消失，速度已被限制在1.72 m/s的速度區域內，筒壁周邊高速度密集范圍減小，且中心筒與筒壁之間的低速值在1.53 m/s以上，低速區域面積逐漸減小。隨著開孔數目的進一步增加，8孔結構呈現的最大流速僅為1.63 m/s，最小流速也為1.53 m/s，且占據的面積都非常小，絕大部分面積呈現的速度為1.57 m/s，流速越來越均勻，當開孔數目增至9孔、10孔時，開孔正對區域呈現的高速和低速積聚面積幾乎消失，整個橫截面范圍的流速都在1.57 m/s左右，整個面積內流速分布非常均勻。

2.2 數據結果分析

工程上流體在填料塔內的不良分布分為大規模和小規模兩種。小規模不良分布由填料內流體溝流引起，大規模不良分布由流體分布器引起，觸媒層流體分布的均勻度極大部分反映的是進入觸媒前流體分布裝置的好壞。標準偏差是衡量一組數據對平均值的偏離，其值的大小反映了流體分布的均勻程度，數值越小表示這組數據分布越均勻。為具體了解中心筒轉化器各結構氣流分布均勻度情況，本文通過Fluent模塊導出的數據對各結構進行對比，表1列出了觸媒層進出口橫截面位置上的速度最大值、最小值、平均值及標準偏差值，表2列出了整段轉化層的壓降。

表1 轉化器速度模擬結果 m/s

表2 轉化器壓降模擬結果 kPa

由前面截圖可知，對中心筒結構而言，開孔數目越多，流體分布越均勻。由表1可以看出，中心筒開孔數目越多標準偏差越小。其中，中心筒開4孔結構較6孔結構速度標準偏差值大77.40%；中心筒開6孔結構較8孔結構速度標準偏差值大47.60%；當開孔數目達到8時，各結構之間的速度標準偏差值相差越來越小，中心筒開9孔結構較10孔結構速度標準偏差值僅大5.55%。

由表2可以看出，開孔數目越少，整段轉化層的壓降越大，在中心筒開4孔時，由于流通面積的急劇變化導致壓力損耗遠大于其余開孔結構。隨著開孔數目的增加，流通面積變化緩和，壓降增加量減少，但中心筒開9孔結構壓降反小于中心筒開10孔結構壓降。

3 結論

1）綜上所述，開孔數目太少時，由于流速增加太大，流體大部分沖向筒壁，流體在轉化器中間部分停留時間過短，使得中心區域流體極少。隨著開孔數目的增加，出孔流速地減小使得流體在轉化器中間部分停留的時間加長，中心區域的流體越來越多，開孔數目越多，流體的分布越均勻。在一定工況下，中心筒開孔的數目并非越多越好。當開孔數目達到一定數目時，繼續增加開孔則流體均布作用并不明顯。

2）在觸媒層出口區域，各結構流速分布較進口變得均勻，但中心筒開4孔和6孔結構在筒壁周邊仍存在局部的高流速分布區。由于流體基本向出口方向堆積，在出口處流通面積的減少使得流速增大，出現局部高速分布區，其余筒體橫截面范圍內流速分布基本均勻。由此可見，隨著流體在觸媒層中不斷地流動，使得流體的分布會越來越均勻，觸媒層區域對流體有很強的均布作用，但如果流體在進入觸媒層之前分布非常不均，觸媒層也不能完全解決流體分布均勻度的問題，因此要提高轉化器的轉化效果，除了選擇合適的觸媒介質外，流體分布裝置的分布效果也非常重要。

總之，對中心筒結構而言，開孔數目越多，流體分布越均勻，但不能無限制增加開孔數目，因為開孔數目的增加導致加工難度加大，同時中心筒筒壁結構強度削弱，故應結合具體工況設計設備規格，計算開孔數目，使流體達到均布的同時，也不增加設備造價。