侯亞飛，李 偉，柳士開，薄守石，孫蘭義

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

隨著世界原油需求的持續(xù)走高，原油資源的重質化、劣質化趨勢越來越明顯[1]，未來的原油主要為高硫高酸重質油；另一方面，煉油廠規(guī)模和裝置的大型化也成為世界煉油工業(yè)發(fā)展的總體趨勢；其次，隨著世界能源變革步伐的加快，我國清潔油品燃料需求日益增長。以上這些因素對于加氫反應器安全、高效、長周期穩(wěn)定運行提出了更高的要求[2-3]。加氫反應主要在固定床加氫反應器內進行，其主要內構件有入口擴散器、氣液分配盤、冷氫箱、出口收集器等，其中氣液分配盤是內構件中最重要的一種。氣液分配盤由安裝在分布板上的分配器組成，分配器是固定床加氫反應器中的重要內構件，其主要功能是為氣液兩相流體提供混合和相互作用的場所，使液體破碎成液滴分散到氣流中，并隨氣流一起落到催化劑上，形成液體在填料床層上的均勻分布。液體分布的均勻性直接影響下游催化劑的潤濕程度和使用效率，進而影響到加氫反應的進行。因此開發(fā)綜合性能優(yōu)良的新型氣液分配器具有重要意義。

分配器從結構角度可以歸納為篩板型、煙囪型、泡罩型和氣提型[4-5]。目前國內應用較多的是泡罩型，其原型是從美國引進的UOC型分配器[6]。由于加氫工藝技術的進一步發(fā)展以及加氫反應器趨于大型化的需要，中國石化開發(fā)出一種具有抽吸碎流結構的BL型氣液分配器(簡稱BL分配器)[7]。本研究采用Fluent軟件對加氫反應器中單個泡罩分配器的流體力學性能進行模擬，以BL分配器為基礎構型，通過改進其下降管和碎流板結構進行結構優(yōu)化。

1 BL分配器結構與工作機理

1.1 結構示意

BL分配器主要由中心管、泡帽、連接板和碎流板構成[7]，其結構示意見圖1。

圖1 BL分配器結構示意

1.2 工作機理

BL分配器液體下溢的主要動力來自氣體的強烈抽吸、攜帶作用。正常工作時，分配盤上方的液體在塔盤上積累并且建立一定的液位，氣相通過泡帽上的齒縫進入分配器內部，由于氣體流通面積變小，氣速增大，在中心管與泡帽之間的環(huán)形空間形成一定的壓差，因而產生抽吸作用，液體被氣體攜帶進入中心管頂部后轉向180°進入中心管，液體被破碎為液滴，氣體和液體在中心管內部混合呈現(xiàn)錐狀向下經過中心管出口的碎流板節(jié)流、分散、霧化作用，噴灑在下方的催化劑床層上[8]。

2 模型驗證

由于分配器內部氣液兩相流動復雜，因而選擇正確的計算模型是計算流體動力學(CFD)計算的前提和基礎，不同的模型計算結果可能相差甚大。中國石化石油化工科學研究院設計了直徑500 mm的冷模實驗裝置，以水和空氣為介質對聯(lián)合油公司(UOC)開發(fā)的泡罩抽吸型分配器進行流體力學性能的研究工作。實驗過程中氣體流量為200 m3h，液體流量為1 m3h，經過測量處理得到的數(shù)據為分配器下方150 mm處水沿實驗裝置徑向的體積分率。本研究通過在Fluent中重現(xiàn)這一實驗過程，并對實驗結果和模擬計算結果進行對比，確保選擇的加氫反應器分配器模型的正確性好。

2.1 流體力學模型

根據加氫反應器內氣液兩相流動的情況，作如下假設[9]：①氣液兩相為不可壓縮的牛頓流體，流動形式為湍流；②不考慮兩相之間的質量傳遞；③氣液兩相在流動過程中不發(fā)生相變；④氣液兩相之間壓力相同，接觸界面壓降可以忽略不計。

2.2 控制方程

2.2.1連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體表述形式，第k相的連續(xù)性方程表達式如下：

(1)

2.2.2動量守恒方程流動系統(tǒng)的動量守恒方程表達式如下：

(2)

2.3 幾何模型與網格劃分

泡罩分配器的具體結構尺寸如圖2[10]所示。從圖2可以看出，分配器內徑為65 mm。

圖2 UOC型分配器結構簡圖(單位：mm)

圖3 分配器模型三維模型示意

圖4 模型網格劃分示意

2.4 邊界條件

采用空氣-水體系，空氣和水的物性采用Fluent內置數(shù)據，水和空氣的密度(20 ℃)分別為998.200 kgm3和1.225 kgm3，動力黏度(20 ℃)分別為1.003 mPa·s和0.017 9 mPa·s。模擬采用實驗中的操作條件，即空氣流量為200 m3h，水流量為1 m3h，計算域直徑與實驗裝置尺寸相同，均為500 mm。計算域邊界條件為：進口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，第一相為空氣，第二相為水，湍流模型采用標準k-ε雙方程模型，壓力和速度的耦合算法采用SIMPLE算法，三維非穩(wěn)態(tài)計算，時間步長設置為0.002～0.010 s，即在模擬過程中逐步增加步長加速計算的收斂過程，所有方程收斂標準為0.001，取400 s的計算結果，此時所有方程的殘差曲線數(shù)值均持續(xù)穩(wěn)定在0.001以下。

2.5 模擬結果與實驗結果對比

由于實驗中測量處理得到的為分配器下方150 mm平面處沿反應器徑向水的體積分率，因而本研究模擬結果考察分配器下方150 mm平面處沿計算域徑向的水體積分率，模擬結果與實驗結果對比見圖5。由圖5可見，沿計算域徑向水體積分率的模擬結果與實驗結果吻合良好，說明所選模型的準確性好。

圖5 模擬結果與實驗結果對比

3 BL型分配器數(shù)值模擬

3.1 操作條件

實際加氫反應器內部為油和氫氣，因此模擬均基于油和氫氣展開研究。處理量和操作條件均參考文獻[11]。文獻中的分配器形式為CZII型分配器，中心管內徑為69 mm，分配盤上安裝139個，根據開孔率相同的原則，換算BL分配器的安裝數(shù)目為156個。單分配器的處理量根據操作條件折合到單個分配器的承受量計算。操作條件：溫度330 ℃，壓力8.2 MPa，液相流量和氣相流量分別為51.89 m3h和158.80 m3h。油氣的液相和氣相密度(330 ℃)分別為691.90 kgm3和13.25 kgm3，動力黏度(330 ℃)分別為0.225 3 mPa·s和0.013 5 mPa·s。

3.2 結果分析

分配器的3個特征因素分別為分配性能、抗塔板傾斜性能和穩(wěn)定性[12-13]。評價分配器的性能主要從操作彈性、壓力降和分配的均勻度來考慮，其中分配均勻度最重要，可從兩方面考慮，一是液體噴灑的范圍，二是液體流率沿徑向的峰值，液體噴灑的范圍越寬，峰值越小，則分配器的分配性能越好。

通常情況下加氫裝置中分配器下方200 mm處為催化劑床層，因此，本文中考察分配器下方200 mm處的液體分布情況。分配器下方200 mm處的液體分布云圖和液體分布見圖6和圖7。從圖6和圖7可以看出，該BL型分配器的噴灑范圍為-0.136 7～0.135 0 m。因為分配器內徑為65 mm，因而噴灑直徑為管內徑的4倍，另外經過后處理得到分配器的壓降為110 Pa。

圖6 分配器下方200 mm處的液體分布云圖

圖7 分配器下方200 mm處的液體分布

為了更加精確地定量表示液體分布的均勻性，本文中引入液體分布不均勻度的概念，定義如下[14]。

(3)

4 改進BL分配器模擬與優(yōu)化

4.1 改進思路

對于分配器來講，最重要的是液體分配的均勻度，可從擴大分配器噴灑面積方面進行考慮。經過調研和初步的探索，提出以下構想：去掉原先的碎流板，將中心管下方封閉，同時在中心管下方側面均勻開方孔，在中心管底部均勻開小孔，以期能夠擴大分配器的噴灑面積，進而降低分配的不均勻度。

4.2 模擬對象和幾何尺寸

基于以上思路改進BL分配器的結構示意如圖8所示。初步的結構尺寸：中心管下方側面沿圓周均勻排列4個15 mm×15 mm的方形孔，中心管下方按照正三角形排列19個5.5 mm的圓孔，其余尺寸和原BL分配器一致。

圖8 改進BL分配器的結構示意

4.3 中心管側方孔數(shù)目優(yōu)化

以分配器中心管側方開孔總面積一定為基準，考察開孔數(shù)目的不同對分配器性能的影響，考慮5種結構，分別為2，4，6，8，10孔。圖9為不同開孔數(shù)目的5種結構分配器下方200 mm處液相分率云圖。從圖9可以看出，2孔結構的分配器液體分布主要沿著開孔方向，而未開口方向則噴灑較窄，4～10孔結構噴灑比較均勻。

圖9 分配器下方200 mm處液相分率云圖

5種分配器液體徑向分布曲線如圖10所示。從圖10可以看出：2孔分配器的液相分布曲線最窄，液相峰值也最?。?孔分配器液相峰值其次，其液相分布曲線呈現(xiàn)“矮胖”狀，即噴灑面積較大，分布比較均勻；6～10孔液相峰值較大，分布曲線呈現(xiàn)“瘦高”狀，即噴灑面積較小。

圖10 5種分配器液體徑向分布

不同構型分配器的峰值、噴灑面積、不均勻度以及壓降對比結果見表1。由表1可見：在改進的5種分配器構型中，4孔分配器的綜合性能最好，其液相峰值較小，比原BL分配器的峰值降低43%；4孔分配器的噴灑面積最大，比原BL分配器的噴灑面積增大255%；4孔分配器的不均勻度與2孔分配器的不均勻度基本相等，為幾種構型中最小，比原BL分配器的不均勻度減小24.84%。另一方面，改進分配器與原BL分配器相比，壓降有一定程度的增大，分配器的壓降如果太小會導致氣液混合接觸不充分，太大又會導致能耗增加，而改進分配器壓降增大的幅度在實驗允許范圍內，相比于噴射型分配器，壓降還是小一個數(shù)量級。以下討論均以4孔構型分配器為基準優(yōu)化中心管底部孔的數(shù)目。

表1 不同構型分配器性能對比

4.4 中心管底部孔數(shù)目優(yōu)化

4孔構型分配器中心管底部孔的數(shù)目為19個，直徑為5.5 mm，在保持開孔面積相等以及排列方式相同的前提下，考察開孔數(shù)目為13，15，21，25的分配器性能，對應孔徑分別為6.6，6.2，5.2，4.8 mm。5種構型分配器下方200 mm處液相分率云圖見圖11，不均勻度和壓降對比結果見表2。從圖11可以看出，5種構型分配器的噴灑面積基本相等。從表2可以看出，在5種構型分配器中，21孔分配器的不均勻度最小，為0.222，與19孔分配器的不均勻度相比降低7.11%，即比原BL分配器的不均勻度降低30.19%。從表2還可以看出，5種分配器的壓降近似相等，21孔分配器的壓降為191 Pa，與原BL分配器相比壓降增大73.63%，因次，21孔分配器的綜合性能最好。

圖11 分配器下方200 mm處液相分率云圖

表2 5種分配器的不均勻度和壓降對比

5 結 論

(1)對原BL分配器構型進行結構優(yōu)化，去掉碎流板，使中心管變成一體，在其側面以及下方開孔，以提高其綜合性能。

(2)經過模擬優(yōu)化從噴灑面積、分配均勻度、壓降、峰值大小等方面進行綜合比較可知，中心管下方側面沿圓周均勻排列4個15 mm×15 mm的方形孔，以及下方開21個5.2 mm圓孔結構最優(yōu)。

(3)經過結構優(yōu)化的分配器，分配不均勻度比原BL分配器構型降低30.19%，噴灑面積增大255%，壓降增大73.63%，壓降增大的幅度在許可的范圍內。

[1] 王少兵，毛俊義，王璐璐.應對原料劣質化的新型高效加氫反應器內構件技術[J].石油煉制與化工，2016，47(6)：99-102

[2] 任亮，蔣東紅，胡志海.延長蠟油加氫預處理裝置運行周期的技術關鍵與工業(yè)實踐[J].石油煉制與化工，2015，46(5)：28-33

[3] Ge Panzhu，Ren Liang，Gao Xiaodong，et al.Effect of ammonia on the performance of catalysts for selective hydrogenation of 1-methylnaphthalene[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2015，17(4)：1-7

[4] 王振元.加氫反應器內氣液兩相流體的分布與混合裝置研究[D].上海：華東理工大學，2014

[5] Maiti R N，Nigam K D P.Gas-liquid distributors for trickle-bed reactors： A review[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2007，46(19)：6164-6182

[6] 范勇.加氫反應器內多相流動的數(shù)值模擬與結構優(yōu)化[D].北京：中國石油大學(北京)，2012

[7] 蔡連波.BL型氣液分配器的試驗研究[J].石油化工設備，2009，38(2)：1-3

[8] 倪艷光，劉玉.基于Fluent的加氫反應器分配器流場數(shù)值模擬研究[J].中國高新技術企業(yè)，2011(24)：25-26

[9] 曾祥根，張占柱，王少兵，等.加氫反應器分配器的數(shù)值模擬[J].計算機與應用化學，2005，22(2)：148-152

[10] 葉文源.加氫反應器結構的初步探討[J].石油化工設備技術，1981(1)：19-25

[11] 蔡大琴，蔡建華.400 kta柴油加氫精制裝置反應器內構件設計的工藝分析及探討[J].金陵石油化工，1991(5)：6-9

[12] 張洪旭，蔡連波，王強，等.固定床反應器中氣液分配器的流體力學性能[J].化工進展，2016，35(7)：1975-1979

[13] Bazerbachi F，Haroun Y，Augier F，et al.Experimental evaluation of distributor technologies for trickle-bed reactors[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52(32)：11189-11197

[14] 于坤，王振元，石巖，等.新型抽吸型氣-液分流式分布器的性能[J].石油學報(石油加工)，2016，32(1)：119-124