陳祥武，孫 姣，陳 楠，葛化強，陳文義

（1.河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 工程流動與過程強化研究中心，天津 300130）

隔板塔（DWC)是一種完全熱耦合精餾塔,早在1933年由Eric[1]因裂解氣問題提出，塔中多股物流同時在塔內(nèi)進行傳質(zhì)、傳熱，能夠?qū)崿F(xiàn)單塔多組分分離，既可以提高熱力學(xué)效率、降低能耗，又可以減少設(shè)備投資[2-3]．

Halvorsen等人[4]運用簡捷法對隔板塔能耗進行研究，分析發(fā)現(xiàn)隔板塔比普通精餾塔額外增加了2個自由變量液相和氣相分流比（Liquid and vapor splitratios），并且這2個變量對于隔板塔的節(jié)能起到至關(guān)重要的作用．袁希鋼[5]、方靜[6]、何西濤[7]等在各自的研究體系中，分析了氣、液相分配比對隔板塔操作性能的影響，均指出適當(dāng)?shù)臍?、液相分配比能降低隔板塔的能耗，提高精餾產(chǎn)品的純度．同時，實現(xiàn)氣流在隔板兩側(cè)空間的均勻分布也是及其重要的，潘國昌[8-9]指出氣流在精餾塔內(nèi)應(yīng)均勻分布，否則將出現(xiàn)氣液溝流、接觸不良及出塔產(chǎn)品不符合等問題．可見實現(xiàn)氣、液分配比調(diào)節(jié)及上升氣體在隔板兩側(cè)均勻分布是非常有意義的，這也是推進隔板塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容．王二強[10]綜述了國內(nèi)外隔板塔內(nèi)部氣、液相分配比調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用情況，指出液相分配比調(diào)節(jié)裝置相對成熟，氣相分配比的控制還是一個難題．

以往研究者們更多關(guān)注的是氣、液相分配比對隔板塔性能的影響，尤其是對于氣相分配，以被動方式分配氣體到隔板兩側(cè)，嚴(yán)重影響隔板塔的有效調(diào)節(jié)．本課題組開發(fā)了一種新型的隔板塔氣體調(diào)配裝置，能有效地實現(xiàn)隔板塔的氣體調(diào)節(jié)和分布，本文針對這種新型的氣體調(diào)配裝置，開展了數(shù)值分析與實驗研究．

1 數(shù)值模擬

1.1 氣體調(diào)配裝置計算區(qū)域網(wǎng)格及幾何模型

氣體調(diào)配裝置由升氣通道、調(diào)節(jié)板、氣體分布板和氣體分布機構(gòu)組成，如圖1a）所示，隨著調(diào)節(jié)板開度變化，升氣通道內(nèi)部氣體流通阻力發(fā)生改變，在不同的通道內(nèi)阻力下，氣體在不同的升氣通道內(nèi)實現(xiàn)分流，最后由氣體分布機構(gòu)均勻分布到隔板兩側(cè)．選取內(nèi)徑284mm，高度1500 mm的隔板塔為計算區(qū)域，裝置位于厚度8mm、高度600mm的隔板下端，利用STAR-CCM+，采用多面體網(wǎng)格對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，氣體調(diào)配裝置計算區(qū)域網(wǎng)格如圖1b）所示．初始參數(shù)計算如下．

流體介質(zhì)為20℃空氣，密度 =1.205 kg/m3，粘度 =1.81×105Pa s，進口速度 =0.732 m/s．

1）輸送氣體雷諾數(shù)

2）湍流強度

3）特征長度

式中： 為速度入口截面的當(dāng)量直徑，m．

圖1 氣體調(diào)配裝置計算區(qū)域網(wǎng)格及幾何模型Fig.1 Polyhedral mesh of computational fluid region and geometrical model of vapor split device

1.2 控制方程

基于不可壓的雷諾平均方程組求解，采用Realizable 二方程湍流模型構(gòu)成封閉的方程組，模型采用二階迎風(fēng)格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法．

1.3 邊界條件

選取隔板塔底端和頂端作為模擬的速度入口和壓力出口，進口速度 =0.732 m/s，出口壓力為大氣壓，根據(jù)壁面不滑移假設(shè)，計算區(qū)域壁面設(shè)置為非滑移網(wǎng)格屬性，設(shè)置邊界層厚度為0.003 3 m．

根據(jù)文獻 [11]，調(diào)節(jié)氣體分配比過程中，一側(cè)全開，只調(diào)節(jié)其中一側(cè)開度，這種調(diào)節(jié)方式可以更好地獲得節(jié)能效果．文中只改變左側(cè)調(diào)節(jié)板開度，開度（）分別為：10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°．

2 升氣通道內(nèi)部的流場分布

圖2、圖3是調(diào)節(jié)板在20°、50°、80°開度下氣體調(diào)配裝置雙側(cè)升氣通道 =0.142 m縱向截面處的流場壓力云圖、速度云圖，相對于左側(cè)帶有調(diào)節(jié)板的升氣通道內(nèi)流場的分布情況，右側(cè)升氣通道內(nèi)的氣相流場分布比較均勻，隨著調(diào)節(jié)板開度的增大，流場中速度、壓力分布值在降低，下面主要分析左側(cè)氣體通道內(nèi)流場分布狀況．

由圖2壓力云圖可以看出，隨著調(diào)節(jié)板開度的增大，氣體有效流通面積增加，調(diào)節(jié)板前后壓力梯度減小，氣體流動阻力下降，在開度為20°時，調(diào)節(jié)板前端壓力較大，后端壓力較小，并有局部的負(fù)壓區(qū)，形成較大的壓力梯度，數(shù)值遠高于開度為50°和80°的情況，在開度50°時，低壓區(qū)面積減少，負(fù)壓區(qū)消失，在開度80°時，壓力場分布比較均勻．

由圖3速度云圖可以看出，通道內(nèi)的氣體流速隨著開度的增大而增加，在開度為20°時，通道內(nèi)流速很小，數(shù)值遠小于開度為50°和80°的情況，流體幾乎被堵住，氣體通過狹窄流道后沿側(cè)壁向上流動，在開度為50°時，高速氣體流過調(diào)節(jié)板后，沿側(cè)壁處流速較大，中心位置處流速較小，并有局部漩渦產(chǎn)生，開度為80°時，氣體在通道內(nèi)高速、均勻流動．

圖2 不同開度下升氣通道 =0.142 m縱向截面處流場壓力云圖Fig.2 Pressurecontoursof thelongitudinal section =0.142mof gaschannelsatdifferentopeningdegrees

圖3 不同開度下升氣通道 =0.142 m縱向截面處流場速度云圖Fig.3 Velocity contoursof thelongitudinal section =0.142 m of gaschannelsat different opening degrees

3 氣體分布機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本部分選取隔板塔底端為氣相進口，采用速度入口作為邊界條件，進口速度 =0.732 m/s．

氣體分布機構(gòu)是實現(xiàn)氣體均勻分布到隔板兩側(cè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，氣體通過不同V型角度（）的氣體分布機構(gòu)時的流動特性直接影響氣體分布，選取 =30°、 =40°、 =50°、 =60°，4種V型角度，對比氣體經(jīng)過該尺寸氣體分布機構(gòu)的流動特性，采用氣體不均勻度[8]來表征氣體在隔板兩側(cè)空間的分布情況：

氣體分布機構(gòu)在 =1 m縱向截面處的速度流場分布如圖4所示，氣體由升氣通道流到氣體分布板的下端空間內(nèi)，通道垂直上方區(qū)域流體速度相對較大，兩側(cè)區(qū)域速度較小，速度流場分布不均勻，靠近壁面處有局部漩渦產(chǎn)生，氣體通過分布板后得到均勻分布，相對于V型角度 =30°、50°、60°時，氣體通過分布板后中心區(qū)域速度相對較大的情況，V型角度 =40°時，分布板上端的氣速分布比較均勻，氣體以較高的流速均勻的流到氣體分布機構(gòu)的升氣管中，高速氣體受V帽的阻擋，絕大部分氣體由相鄰V帽邊緣的空間處噴射到上方，少量氣體則反轉(zhuǎn)向下流動，在V型角度為40°時，氣體經(jīng)過相鄰V帽之間空隙處噴射強度較強．

圖4 4種V型角度氣體分布機構(gòu) =1 m縱向截面處速度矢量圖Fig.4 Velocity vector distributionsof four kindsof V anglegas distribution structureat longitudinal section of =1 m

氣體通過不同V型角度的氣體分布機構(gòu)的壓降損失比較結(jié)果見表1，由表1可以看出，隨著V型角度 的增加，氣體調(diào)配裝置內(nèi)部的壓降逐漸升高，顯然這是由于角度增大，氣體通過相鄰V帽之間的流動空間變小，氣體流通阻力增大，造成的阻力損失增加．

表1 不同V型角度氣體調(diào)配裝置內(nèi)部壓降損失Tab.1 Pressure drop in vapor split device at different V angle

氣體通過氣體調(diào)配裝置V帽上部，不同軸向位置橫截面上氣體分布不均勻度 值見圖5．可以看出，氣體不均勻度 隨V帽角度 和截面高度H而變化，同截面上，在 =40°時的 具有最小值， =30°時的 值略有增加，但明顯小于 =50°、 =60°時的 值，同一V型角度 時，隨著截面高度H的增加，氣體分布不均勻度 的數(shù)值不斷降低，氣體在截面上的分布越均勻．

通過上述的優(yōu)化分析可知，V帽作為該裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對裝置的壓降損失及氣體通過裝置后在隔板兩側(cè)的分布情況均影響較大，V型角度 =40°時，氣體不均勻度 具有最小值，氣體在隔板兩側(cè)的分布情況最優(yōu)，但壓降損失略高于V型角度 =30°時的情況．

圖5 氣體分布不均勻度與V型角度 關(guān)系Fig.5 Therelationship between uneven distribution of gasand V angle

4 實驗研究

為了分析氣體調(diào)配裝置的調(diào)節(jié)特性及驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，進行了實驗研究．

由上述對流場分析可知，通過改變調(diào)節(jié)板開度，可以將塔底上升氣體按一定的比例分配到隔板的兩側(cè)，為表征塔底上升氣體在隔板兩側(cè)的分配情況，定義氣體分配比 為

式中：Q1、Q2為塔底上升氣體在左、右兩升氣通道內(nèi)分配的流量值，m3/h．

4.1 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示，由JH-1型離心風(fēng)機提供氣源，采用L型皮托管和RE1211數(shù)值微壓計配合使用測量進入隔板塔的氣體流量值，U型管壓差計和L型皮托管配合使用采集雙側(cè)升氣通道內(nèi)同一截面上的多點速度值．隔板塔內(nèi)徑為284 mm、外徑300 mm，高度1 500 mm，氣體調(diào)配裝置外徑為300 mm，總高為140mm，位于厚度8mm、高度600mm的隔板下端，均采用有機玻璃材質(zhì)．

4.2 實驗方法

實驗在介質(zhì)為20℃空氣中進行，塔內(nèi)進氣流量為167m3/h，表觀氣速為0.732 m/s．

實驗采用皮托管系數(shù)K=1的L型皮托管，在測量塔內(nèi)進氣流量時，皮托管垂直于進氣管道中間位置，另一端與RE1211數(shù)值微壓計相連，儀表顯示氣體流量值．

速度分布的測量采用皮托管作為測速手段，并配合U型管壓差計對升氣通道內(nèi)靠近出口處的速度分布進行測量，測量時皮托管垂直于升氣通道調(diào)節(jié)板上端的橫截面．對速度數(shù)據(jù)進行處理時，用不可壓縮的伯努利方程計算截面中某一點的氣速 ．

圖6 實驗裝置示意圖Fig.6 Diagram of experimental apparatus

其中：u為測量點處流體速度，m/s；K為皮托管系數(shù)； P為通過皮托管測得的動壓，Pa； 為空氣密度，kg/m3．

多點測量流速后，求得流速平均值，計算升氣通道內(nèi)的氣體流量值Q．

其中：Q為流量值，m3/h；A為升氣通道橫截面積，m2；U為平均流速，m/s．

4.3 實驗結(jié)果及分析

實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比情況如圖7所示，可以看出模擬值與實驗值比較吻合，證明了文中的數(shù)值計算方法用于氣體調(diào)配裝置研究是可行、有效的．隨著調(diào)節(jié)板開度（）的降低，左右升氣通道內(nèi)的流量值均發(fā)生變化，流量值1減少，流量值2增加，氣體分配比 不斷增大，且開度大于50°時，變化幅度較小，裝置工作的緩和平穩(wěn)，開度小于50°時，變化幅度較大，裝置調(diào)節(jié)靈敏．

5 結(jié)論

1）該種氣體分配裝置滿足隔板塔性能要求，可調(diào)節(jié)性好，同時實現(xiàn)隔板兩側(cè)氣體流量調(diào)節(jié)及氣體的均勻分布．

2）數(shù)值計算值和實驗值比較吻合，表明用本文的模型和方法對裝置進行流場模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的．

圖7 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison of numerical results with experiments

3）數(shù)值模擬表明：上升氣體在裝置雙側(cè)升氣通道內(nèi)發(fā)生分流，帶有調(diào)節(jié)板通道內(nèi)的流動狀況較復(fù)雜，壓力場、速度場的分布受調(diào)節(jié)板開度的影響較大，在開度小于50°時，氣體繞過調(diào)節(jié)板后形成較大的壓力梯度，通道內(nèi)流速較小，有局部漩渦產(chǎn)生，氣體分配比變化較大，裝置調(diào)節(jié)靈敏有效；在開度大于50°時，壓力梯度降低，流速增大，局部漩渦強度減弱，氣體分配比變化緩慢，裝置工作緩和平穩(wěn)．

4）V帽角度的改變對氣體通過裝置后的壓降損失、氣體分布的均勻性影響較大，V型角度為40°時，氣體分布不均勻度 具有最小值，氣體在隔板兩側(cè)的分布情況最優(yōu)，且氣體通過裝置的壓力損失在可接受范圍內(nèi)，為最佳選擇．

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