陳林鳳,馮清付,江振飛,王在良,李伯奎
(1.江蘇科圣化工機械有限公司,江蘇 淮安 223002;2.淮陰工學(xué)院,江蘇省先進制造技術(shù)重點實驗室,江蘇 淮安223003)
填料精餾塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備,由于生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、持液量小以及操作彈性大等優(yōu)點在化工行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。氣液相流量是影響填料層壓差的重要因素,當(dāng)精餾塔各塔段氣液相流量的差異不大時,通常會把精餾塔設(shè)計成塔徑相等的等徑餾塔。而如果不同塔段的氣液相流量的差異較大時,則往往會考慮將精餾塔設(shè)計成直徑不等的變徑塔[4-5]。不同塔段計算后采用不同的塔徑,可以提高熱力學(xué)性能,避免低負荷操作時出現(xiàn)偏流的情況,提高填料效率。變徑段位置主要有4種,如圖1所示。通過研究變徑段在不同位置時精餾塔內(nèi)流場分布,為設(shè)計人員選擇合適的布局方式提供了依據(jù)。
圖1 變徑段位置及類型
采用標(biāo)準k-ε模型建立求解精餾塔內(nèi)流動的數(shù)學(xué)模型,進行計算時假設(shè)氣體為可壓縮空氣,液體為不可壓縮水,氣、液兩相按充分發(fā)展的湍流處理,入口邊界條件采用恒速度入口,出口邊界條件采用恒壓力出口,壁面邊界壁面條件設(shè)為絕熱無滑移。其控制方程如下:
質(zhì)量守恒方程為:
其中,τij——應(yīng)力張量。
標(biāo)準k-ε湍流模型是目前應(yīng)用非常廣泛的兩相流模型,因為其簡單、精度較高等優(yōu)點,在流場分析中備受應(yīng)用。標(biāo)準k-ε湍流模型能夠獲得較為精確的結(jié)果。
動量守恒方程:
式中,Gk——為湍流動能生成;
Gb——為浮力產(chǎn)生項;
σε、σk——分別代表ε和k的Prandtl湍流常數(shù);Sε和Sk——為自定義函數(shù)。
氣、液兩相按充分發(fā)展的湍流處理,入口邊界條件采用恒速度入口,出口邊界條件采用恒壓力出口,壁面邊界壁面條件設(shè)為絕熱無滑移。做氣相單向流模擬時,底部為進口,上部為出口,做液相單相流模擬時,上部為進口,底部為出口,建立了包括變徑段筒體在內(nèi)的物理模型,如圖2所示。
圖2 物理模型
建模型導(dǎo)入ICEMCFD中進行網(wǎng)格劃分,填料部分采用多孔介質(zhì)模型代替,劃分時進行加密處理,最終得到的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。
圖3 網(wǎng)格劃分圖
圖4為氣相單向流作用下塔內(nèi)速度云圖,從(a)、(d)兩個云圖可以看出,在變徑段上方,精餾塔壁面處氣相速度最小,由于速度和阻力成正比關(guān)系,因此,變徑段筒體采用(a)、(d)圖布局方式,導(dǎo)致的壁流效應(yīng)較大,嚴重影響精餾塔分離效率。而(b)、(c)圖壁面處氣相速度最大,在一定程度上能夠起到減少壁流的作用。
圖4 氣相單向流下塔內(nèi)速度云圖
圖5為氣相單向流作用下塔內(nèi)壓力云圖,變徑段上(下)方,(a)、(b)、(c)、(d)云圖氣相壓力變化都比較均勻??傮w上,由下到上看,(a)圖氣相壓力變化:小→大→小;(b)、(c)云圖氣相壓力變化:大→小,(d)云圖氣相壓力變化:大→小→大;顯然(a)、(d)圖氣相壓力波動較大,會對精餾塔分離效率產(chǎn)生較大影響,而(b)、(c)、圖氣相壓力變化較為均勻,波動較小。
圖5 氣相單向流下塔內(nèi)壓力云圖
圖6 為液相單向流作用下塔內(nèi)速度云圖,在變徑段上方,(e)、(f)、(g)、(h)的速度變化都比較均勻,液體對壁面的作用效果基本相似;在變徑段下方,(g)圖壁面液相速度小,相同時間壁流較小,同時由于塔徑的突然變大,使得塔上方落下的液體絕大多數(shù)向塔內(nèi)部靠攏,也能起到減少壁流的作用;(h)圖壁面液相速度大,相同時間壁流大,液體壁流效應(yīng)嚴重,同時由于塔徑突然變小,液體流通通道受阻,進一步加劇液體壁流。
圖6 液相單向流下塔內(nèi)速度云圖
圖7 為液相單向流作用下塔內(nèi)速度云圖,變徑段上(下)方,(e)、(f)、(g)、(h)云圖壓力變化都比較均勻??傮w由上到下看,(e)、(h)圖液相壓力變化:大→??;(f)、(g)云圖液相壓力變化:大→小→大;顯然(g)、(h)圖液相壓力波動較大,會對精餾塔分離效率產(chǎn)生較大影響,而(e)、(h)圖氣相壓力變化較為均勻,波動較小。
圖7 液相單向流下塔內(nèi)壓力云圖
通過本文的研究得到以下結(jié)論:
(1)氣相單向流作用下,對于變徑段大端朝上的布局方式,變徑段上方壁面壁流效應(yīng)嚴重,總體壓力波動較大,對精餾塔分離效率影響大,而變徑段大端朝下的布局的方式,能夠有效減少壁流,并且總體壓力波動較小。
(2)液相單向流作用下,對于變徑段大端朝上的布局方式,變徑段下方壁面壁流效應(yīng)嚴重,壓力波動較小,而變徑段大端朝下的布局的方式,能夠有效減少壁流,但是總體壓力波動較大。
總體而言,采用變徑段采用大端朝下的布局方式比大端朝上的布局方式,在減少壁流效應(yīng)以及壓力變化均勻性方面要好。