趙 雙，王慶鋒，龐 鑫

（北京化工大學(xué)故障診斷與自愈工程研究中心，北京100029）

尿素合成塔板結(jié)構(gòu)型式影響氣液兩相流體在合成塔內(nèi)的反應(yīng)速度和反應(yīng)時間，進(jìn)而影響CO2轉(zhuǎn)化率[1]。國內(nèi)市場上存在卡薩利塔板、卡薩利Z 型塔板、卡薩利-戴恩特塔板、噴射型塔板以及徑向塔板等結(jié)構(gòu)型式，除后者外其余全部為國外專利技術(shù)且引進(jìn)技術(shù)成本代價極高。同時，國內(nèi)很多尿素生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)了“高效塔板”而并沒有達(dá)到提高CO2轉(zhuǎn)化率和增加產(chǎn)能的目的。合成塔直徑、合成塔板結(jié)構(gòu)型式、尿素生產(chǎn)負(fù)荷和CO2轉(zhuǎn)化率的之間的關(guān)系國外專利商沒有公布，企業(yè)選擇合成塔板存在很大的盲目性。通過制作不同結(jié)構(gòu)類型的尿素合成塔板進(jìn)行工業(yè)化實(shí)驗(yàn)成本高且具有結(jié)果不可預(yù)測性，工業(yè)上急需一種能較精確模擬流體狀況、操作簡單、成本低廉且效果明顯的方法。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)[2]（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）的方法對高效塔板中的卡薩利Z 型塔板（分為有擋板和無擋板兩種）和噴射型塔板進(jìn)行模擬，基于雙歐拉兩相流模型和k-ε 湍流模型，建立三維合成塔兩塔板間的流場來模擬氣液兩相流體的流動情況，得出生產(chǎn)負(fù)荷與塔板結(jié)構(gòu)型式的關(guān)系，通過數(shù)值模擬得到最高效的塔板以及塔板的最佳操作工況點(diǎn)，以達(dá)到應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中提高轉(zhuǎn)化率、降低能耗的目的，為尿素合成選擇較高效的塔板提供理論支持。

1 數(shù)學(xué)模型

兩相流動模擬的控制方程可在單向流控制方程的基礎(chǔ)上采用集平均方法推導(dǎo)。假定液體為連續(xù)相，氣體為分散相且不可壓縮，不考慮相間質(zhì)量和熱量傳遞，控制方程如下[3]：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程計(jì)算湍流，k-ε 湍流控制方程如下：

方程（2）中Fi 表示相互間作用力，包括曳力、升力、虛擬質(zhì)量力、湍流擴(kuò)散力、壁面作用力等[4-6]。方程（5）（6）中Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk為湍流參數(shù)，模擬時分別取1.44、1.92、0.09、1.0、1.3。

2 塔板氣液流場的模擬

2.1 建模

選取尿素合成塔中任意兩塊塔板間的流動通道對卡薩利Z 型塔板和噴射塔板的氣液兩相流體進(jìn)行模擬。按工業(yè)實(shí)際應(yīng)用塔板的真實(shí)尺寸和結(jié)構(gòu)，用Soidworks 三維制圖軟件建模，為方便邊界條件設(shè)置，模型上的孔結(jié)構(gòu)全部處理成凸臺[7]?？紤]到計(jì)算資源的有限性，截取最能代表流場流動特點(diǎn)的部分：Z 型塔板由計(jì)算域豎直中心截面向兩側(cè)分別截取6mm 距離，噴射塔由計(jì)算域豎直中心截面向兩側(cè)分別截取11.5mm，得到新計(jì)算域。

模擬的塔板尺寸及關(guān)鍵參數(shù)：操作壓力20.1325MPa；溫度178℃；體積流量、流通面積、理論流速和塔板直徑等見表1，其中卡薩利Z 型有擋板塔板與無擋板塔板尺寸及關(guān)鍵參數(shù)相同。

Z 型塔板、Z 型有擋板塔板、噴射塔板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）～（c）所示。

表1 塔板尺寸及關(guān)鍵參數(shù)表Tab.1 Plate size and key parameter table

圖1 塔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the plates

2.2 網(wǎng)格劃分

塔板氣相進(jìn)出口尺寸較小且數(shù)量較多，建模時氣體和液體進(jìn)出口的網(wǎng)格劃分得較密，其余部分的網(wǎng)格劃分得相對較疏。這樣可以節(jié)約計(jì)算資源，提高求解速度[8，9]。具體的網(wǎng)格數(shù)及網(wǎng)格尺寸數(shù)據(jù)見表2。

表2 網(wǎng)格尺寸及數(shù)量Tab.2 Grid size and number

2.3 Fluent 條件設(shè)定

對兩塔板間氣液兩相流體模擬采用Fluent6.3.26 作為求解器，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3，假定氣液兩項(xiàng)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將液相材料定義為H2O，氣相材料定義為CO2。模擬基本參數(shù)設(shè)置見表3，邊界條件見表4。

表3 模擬參數(shù)的設(shè)置Tab.3 Set simulation parameters

表4 邊界條件Tab.4 Boundary conditions

3 結(jié)果與討論

增大氣相和液相的接觸面并增加停留時間是提高合成塔中CO2轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵。本文用氣含率即氣相占?xì)庖夯旌衔矬w積的百分率，以及氣相分布情況表征氣相和液相混合的均勻程度，間接表征CO2轉(zhuǎn)化率大小[10]。相同工況下，通過改變塔板結(jié)構(gòu)來對比不同塔板的效率；同一塔板，通過改變生產(chǎn)負(fù)荷來分析塔板的操作彈性。進(jìn)而得出最高效的塔板以及塔板的最佳操作工況點(diǎn)。

3.1 相同工況下不同塔板的氣含率分布

為比較塔板間氣液兩相混合均勻程度，應(yīng)選取較大高徑比即接近出口截面上的氣含率及氣相分布情況做比較。以下圖中的氣含率分布曲線皆取自接近出口的截面上。

圖2 相同工況下不同塔板的氣含率分布曲線Fig.2 The same conditions in different trays gas holdup curve

如圖2（a）、3（b）、3（c）、3（d）分別表示生產(chǎn)負(fù)荷為100%、120%、160%、200%操作條件下，通過CFD模擬得到相同工況下不同塔板在相等高徑比h/D=0.55 情況下的氣含率對比圖。

由圖2 可以看出，在生產(chǎn)負(fù)荷為100%時：Z 型塔板的氣含率穩(wěn)定在0.18 左右；Z 型有擋板塔板的氣含率穩(wěn)定在0.13 左右；噴射塔板的氣含率有波動，但大體穩(wěn)定在0.3 左右。生產(chǎn)負(fù)荷上升為120%時：Z 型塔板液體進(jìn)口區(qū)域的氣含率較低，其他區(qū)域的氣含率仍然保持在0.18 附近；有擋板的情況對比之前幾乎沒有改變；噴射塔板的氣含率波動減小了許多，總體穩(wěn)定值仍為0.3 沒有改變。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷上升到160%時，除了噴射塔板的氣含率波動變得更小之外，其他均為改變。生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)到200%時，情況亦是如此。

通過對比不同塔板氣液混合及流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的氣含率分布，可看出，噴射塔板的氣含率幾乎為Z 型塔板的2 倍，并且氣液混合均勻程度也較高；兩種Z 型塔板的氣含率較小，氣液混合均勻程度也較低。模擬分析結(jié)果表明噴射塔板的氣含率較高、氣液混合較均勻，可提高CO2轉(zhuǎn)化率，利于尿素合成反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。

3.2 不同工況下相同塔板的氣含率分布

如圖3（a）、3（b）、3（c）分別表示Z 型塔板、Z 型有擋板塔板、噴射塔板，通過CFD 模擬得到不同工況下同一塔板在相等高徑比h/D=0.55 情況下的氣含率對比圖。

圖3 不同工況下相同塔板的氣含率分布曲線Fig.3 Different conditions identical trays gas holdup distribution curve

由圖3（a）可以看出，Z 型塔板在不同生產(chǎn)負(fù)荷下除100%負(fù)荷時液體進(jìn)口橫向范圍氣含率較高以外，其他氣含率在改變工況的情況下都基本保持在0.18 附近不變。由圖3（b）可以看出，Z 型有擋板塔板在不同生產(chǎn)負(fù)荷下氣含率都基本保持在0.13 附近。由圖3（c）可以看出，噴射塔板在生產(chǎn)負(fù)荷為100%時，氣含率波動較大，但大體穩(wěn)定在0.3 左右；生產(chǎn)負(fù)荷升為120%和160%時，氣含率波動范圍減小了很多；當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)到200%時，氣含率趨于平穩(wěn)并保持在0.3 附近。

通過對比相同塔板在不同生產(chǎn)負(fù)荷下氣液混合及流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的氣含率分布，可看出，Z型塔板在改變生產(chǎn)負(fù)荷的條件下，氣含率分布幾乎沒有發(fā)生改變；而噴射塔板隨著生產(chǎn)負(fù)荷從100%到200%的增加，氣含率分布是逐漸趨于穩(wěn)定的。模擬分析結(jié)果表明噴射塔板的操作彈性較大，并存在自己的最佳操作工況點(diǎn)，更適用于尿素合成反應(yīng)過程。

3.4 氣泡直徑對模擬結(jié)果的影響

圖4 為噴射塔板在生產(chǎn)負(fù)荷為120%時的氣含率分布曲線。

圖4 噴射塔板不同氣泡直徑氣含率曲線Fig.4 Bubble jet plates of different diameters gas holdup curve

由圖4 可以看出，氣泡直徑為0.9×10-4m 時，氣含率波動較大；氣泡直徑縮小為0.9×10-5m 時，氣含率較為穩(wěn)定。模擬分析結(jié)果表明同一塔板在相同工況下，氣泡直徑變小，氣含率分布變平穩(wěn)，氣泡直徑小有利于氣相和液相接觸面積的增加，利于CO2轉(zhuǎn)化率的提高，有利于尿素合成反應(yīng)高效持續(xù)進(jìn)行。

3.5 工程案例

某年產(chǎn)40 萬t 的尿素生產(chǎn)廠，自2004年投用卡薩利Z 型塔板，2013年8月更換為噴射型塔板。兩塔板在相同生產(chǎn)負(fù)荷下的實(shí)際CO2轉(zhuǎn)化率見表5。實(shí)際生產(chǎn)說明相同生產(chǎn)負(fù)荷時，噴射塔板的CO2轉(zhuǎn)化率要高于Z 型塔板，與模擬中噴射型塔板氣含率最高的結(jié)果相吻合。此外，更換為噴射型塔板后，尿素日產(chǎn)量最高可達(dá)1800t，與模擬中噴射塔板操作彈性大的結(jié)果相吻合。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)證明了模擬結(jié)果的可靠性。

表5 不同塔板的CO2 轉(zhuǎn)化率Tab.5 Different plate CO2 conversion

4 結(jié)論

基于湍流模型利用CFD 模擬分析卡薩利Z 型塔板和噴射型塔板氣液兩相充分混合后的氣含率，研究高效塔板的氣液兩相流混合及流動特性，得出結(jié)論如下：

（1）生產(chǎn)負(fù)荷相同的情況下，相比于Z 型塔板，噴射塔板的氣含率較高，氣相分布更均勻，更利于CO2的轉(zhuǎn)化。

（2）同種塔板在生產(chǎn)負(fù)荷不同的情況下，噴射塔板操作彈性較大；Z 型塔板改變生產(chǎn)負(fù)荷對氣含率的影響不大。

（3）同種塔板在相同生產(chǎn)負(fù)荷下，氣泡直徑越小，氣含率分布越均勻，越利于氣液兩相接觸面積的增加，進(jìn)而提高CO2的轉(zhuǎn)化率。

模擬分析結(jié)果說明，噴射塔板效率高、操作彈性大，更適用于變工況尿素生產(chǎn)過程。

符號說明：

ai：相含率

Ui：流體速度，m·s-1

Fi：相間作用力，N·m-3

g：重力加速度，m·s-2

t：時間，s

ρ：流體密度，kg·m-3

Pi：流體壓力，N·m-3

μt，l：湍流粘度，N·sm-2

Cμ，ε1，ε2：湍動耗散率運(yùn)輸方程參數(shù)

Gk，l：湍動能產(chǎn)生項(xiàng)

Ⅰ：流體湍動強(qiáng)度

k：湍動能

ε：湍動耗散率

下標(biāo)

i：物理相態(tài)

T：湍流

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