康進(jìn)科，張 陽，李忠凱，劉春成

(隴東學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

塔設(shè)備在石油化工行業(yè)中承擔(dān)著產(chǎn)品分離提純，同時也是耗能較大的設(shè)備[1]，因此降低塔設(shè)備能耗對節(jié)能減排有著重要的額意義，現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)主要是針對塔板上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要為了增加氣液接觸傳質(zhì)效率，如立體噴射塔板研究[2]，立體噴射型塔板是近年發(fā)展較快的一種塔板，其傳質(zhì)作用空間是立體的，操作工況為氣液并流噴射型，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開孔(如圓孔、方孔、矩形孔)，孔上布置相應(yīng)形狀的帽罩。操作時，氣體從板孔進(jìn)人帽罩，在塔板板孔處形成低壓區(qū)，塔板上的液體在板上液層靜壓強(qiáng)作用和罩內(nèi)外壓差的作用下流人罩內(nèi)，經(jīng)提升、破碎、噴射分離等過程，完成氣液接觸傳質(zhì)，此過程中液體為分散相而氣體為連續(xù)相，隨著對節(jié)能減排的要求提高，節(jié)能成了立體塔板的發(fā)展趨勢，雖然立體噴射塔板有效的增加了氣液傳質(zhì)，但是由于液體在塔板底部進(jìn)氣易導(dǎo)致氣體從進(jìn)氣口噴出等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象同時抑制了液體的進(jìn)入量妨礙的氣液接觸[3]。

針對以上問題本文提出了采用流體通道改變的立體帽罩，氣相進(jìn)口通道截面變小使壓力下降，促進(jìn)液相進(jìn)入，然后通過混合段增加壓力使壓力緩慢增加，在達(dá)到解決提高氣液接觸效果增大液體與氣體的接觸量的同時有利于降低板壓降，從而提高塔板傳質(zhì)效率，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為本文提出的一種帶有自吸結(jié)構(gòu)的塔板示意圖，圖中可見帽罩的形式為中間截面小的變徑結(jié)構(gòu)，氣相流經(jīng)帽罩時流通通道先減小后增加；根據(jù)能量守恒可以得到，流通通道減小速度增加，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽軌毫p小，流通通道增加動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能壓力增大，如圖1(b)帽罩結(jié)構(gòu)，在帽罩中心截面即液相進(jìn)口處壓力減小有利于促進(jìn)液相進(jìn)入帽罩，促進(jìn)氣液相傳質(zhì)傳熱。

圖1 塔板結(jié)構(gòu)示意圖

2 物理模型

立體板式塔在正常操作時氣相和液相在帽罩中混合后噴出，本文采用NEW-VST為參照進(jìn)行對比；NEW-VST與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)帽罩參數(shù)如圖2所示，使氣相進(jìn)口直徑保持一致均為80mm。

圖2 帽罩尺寸(a)未設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)塔板 (b)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)塔板

根據(jù)圖2建立物理模型。網(wǎng)格劃分應(yīng)用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并對塔板兩側(cè)和塔板開孔進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格劃分見圖2。網(wǎng)格如下圖所示，主體采用體網(wǎng)格，邊界采用三棱柱網(wǎng)格，對出口處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 模型計算方法

采用k-ε模型，氣相流場計算的基本方程有連續(xù)性方程、動量方程、湍動動能k方程及耗散率ε方程[4-6]，計算采用有限體積法把計算區(qū)域劃分為離散的控制體網(wǎng)格，在每個控制體體積上積分控制方程，形成計算變量的代數(shù)方程。計算中對壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)之間的耦和關(guān)系采用SIMPLE算法[7-8]。

連續(xù)性方程

湍動能k的輸運(yùn)方程

湍動耗散率ε的輸運(yùn)方程

2.3 邊界條件和收斂判據(jù)

模擬對象為塔內(nèi)氣相流經(jīng)塔板的干板壓降，速度采用進(jìn)口平均速度，出口定義為壓力出口出口壓力p=0(表壓)；壁面邊界條件：k-ε模型的Stangard Wall Functions。在求解過程中，迭代足夠多次，當(dāng)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的殘差均不隨計算發(fā)生改變時，認(rèn)為計算收斂。

2.4 數(shù)值格式

綜合考慮計算精度和建模時間的基礎(chǔ)上，在上主體網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在塔板的上方以及塔板上方以及開孔處的壁面六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。并采用動態(tài)網(wǎng)格對速度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)量為2.7×105～3.6×105個。方程離散化時，時間項(xiàng)采用了隱式格式；對流項(xiàng)采用了二階迎風(fēng)格式；壓力項(xiàng)采用了PRESTO!算法；壓力一速度耦合方程的求解采用了PISO方法。

3 討論

采用fluent軟件對帽罩模型進(jìn)行模擬，采用速度進(jìn)口速度分別為5，10，15m/s和20m/s。出口采用壓力出口出口壓力設(shè)置為0Pa。如圖4所示(a)為NEW-VST在氣相流速為5m/s是的流線圖，(b)為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)塔板帽罩在氣相流速為5m/s是的流線圖，從圖中可以看到由于變徑氣相在截面小的部位流速增加，根據(jù)流體流動能量守恒，忽略勢能和阻力損失動能增加靜壓能減小，氣相進(jìn)口通道截面變小使壓力下降，促進(jìn)液相進(jìn)入，然后通過混合段增加壓力使壓力緩慢增加，促進(jìn)汽液接觸，有利于提高板效率。

圖4 塔板干板壓降(a)未設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu) (b)設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖5帽罩縱截面壓力云圖所示所示，圖中黑線表示液相進(jìn)口所在平面，NEW-VST帽罩在次平面壓力穩(wěn)定與氣象進(jìn)口壓力相差不大；導(dǎo)流結(jié)構(gòu)帽罩在液相進(jìn)口平面，靠近避免出的壓力小于中心處的壓力，并且均小于氣相進(jìn)口處的壓力，與NEW-VST帽罩相比此處的壓力明顯下降；結(jié)合表1所示，在進(jìn)口速度為5m/s時NEW-VST液相入口截面平均壓力28.19Pa、自吸式塔板液相入口截面平均壓力-39.28Pa，在進(jìn)口速度為20m/s時NEW-VST液相入口截面平均壓力484.38Pa、自吸式塔板液相入口截面平均壓力-653.33Pa，表明采用自吸結(jié)構(gòu)可以有效降低液相進(jìn)口處的壓力，為促進(jìn)液相更多的進(jìn)入帽罩提供了條件。

(a)未設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)；(b)設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)圖5 設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)前后湍流能量云圖

表1 液相進(jìn)口壓力

4 結(jié)論

采用CFD軟件對自吸結(jié)構(gòu)塔板帽罩進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果表明：采用自吸結(jié)構(gòu)可以降低液相進(jìn)口處的壓力，液相進(jìn)口處壓力下降有利于更多的液相進(jìn)入帽罩，促進(jìn)汽液能量和質(zhì)量傳遞，有利于塔器板效率的提高，有利于促進(jìn)塔設(shè)備節(jié)能減排。