陳志敏 李 莉 馬天鑫 張萬堯 梁元月

（1.中國石化工程建設公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

目前聚丙烯工藝最成熟、運用最多的是環(huán)管法， 其中D502流化床干燥器是關鍵生產設備之一。 為保證聚丙烯裝置穩(wěn)定、安全且經濟運行，研究D502流化床干燥器內部的流動情況至關重要。

工藝計算、分布板和流化床構件的結構參數(shù)確定是設計D502流化床干燥器的關鍵內容。分布板的結構形式不僅決定干燥器的工藝性能，而且直接影響聚丙烯裝置的運行周期。 國內許多學者對D502流 化 床 干 燥 器 進 行 了 理 論 計 算 分 析［1，2］。為了進一步系統(tǒng)地研究D502流化床干燥器內部流動特征，筆者運用CFD技術對D502流化床干燥器進行三維數(shù)值分析，重點研究分布板舌形孔的結構參數(shù)，為進一步改進干燥器結構提供依據。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立

以目前國內在用的3種不同結構參數(shù)（孔高×孔寬）的舌形孔（圖1）為研究對象，分別為2.0mm×6.0mm（A型孔）、2.5mm×6.0mm（B型孔）和2.9mm×9.0mm（C型孔），著重分析分布板舌形孔為B型孔時，干燥器的內部流場。

圖1 舌形孔結構示意圖

如圖2所示，采用非結構化網格［3］對干燥器的三維模型進行劃分，并完成網格無關性處理。 邊界條件分別設置為壓力進口和壓力出口，采用標準壁面函數(shù)。

圖2 干燥器的三維模型和網格劃分

1.2 控制方程

對流體進行理想化假設，認為是不可壓縮介質，所以方程式采用不可壓縮流體方程式，并且不考慮能量方程。

連續(xù)方程的表達式為：

動量方程即N-S方程， 不可壓黏性流體動量方程的微分方程式為：

雷諾時均方程是由N-S方程經過時均化處理得到，具體的表達式為：

湍流模型采用標準k-ε模型， 湍動能k和耗散率ε的表達式分別為：

標準k-ε模型的湍流渦黏性系數(shù)vt、 湍動能k和耗散率ε的輸運方程可表示為：

式中Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的生成項，σk和σε分別為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)，輸運方程中的常數(shù)是通過對典型流動的實驗結果和算例結果進行最佳擬合后得到，分別為：Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 結果分析

2.1 3種舌形孔的流場分析

圖3為3種舌形孔孔流速度與壓差的關系曲線。 由圖3可看出，對于同一孔，孔流速度隨壓差的增大而增大，基本呈線性分布趨勢；在同一壓差下，A型孔和B型孔的孔流速度明顯高于C型孔，說明孔寬和孔高都增大， 即孔截面積增大時，孔流速度自會降低。 另外，A型孔和B型孔的孔流速度相差不大，B型孔略微高于A型孔， 說明孔截面積相差不大時，其孔流速度與截面積大小不成比例。

圖3 3種舌形孔孔流速度與壓差的關系曲線

圖4為3種舌形孔在5、10、17kPa壓差下的壓力云圖。 由圖4可看出，壓力在分布板下方逐漸增大并達到最高值，通過舌形孔時，壓力逐漸降低達到很小的值。 如此大的壓力變化梯度，保證了氣流通過孔的速度。

圖4 3種舌形孔在5、10、17kPa壓差下的壓力云圖

圖5為5、10、17kPa壓差下流體流經3種舌形孔時的速度云圖。 由圖5可看出，流體在分布板下方流速較小，通過舌形孔時以噴射狀流出（此時速度最大），形成非常大的速度梯度，有利于分布板上的物料形成流態(tài)化， 可提高設備的干燥效率。

圖5 5、10、17kPa壓差下流體流經3種舌形孔時的速度云圖

2.2 干燥器內部流場分析

對分布板舌形孔為B型孔的干燥器進行流場分析。 圖6為x=0截面速度矢量圖。 由圖6可看出，從進口進入的流體在分布板以下基本均勻流動，通過舌形孔口時速度最大且流動方向有所改變。

圖6 x=0截面速度矢量圖

圖7為x=0截面的壓力和速度云圖。 由圖7a可看出，流體通過舌形孔時壓力逐漸降低。 由圖7b可看出， 流體在分布板以下的流動狀況基本均勻，只在很小區(qū)域出現(xiàn)回流和紊流，對流體流動影響不大；流體通過舌形孔時速度逐漸增大形成大的梯度變化， 使設備內部物料形成強的流態(tài)化，進而提高設備的干燥效率。

圖7 x=0截面的壓力和速度云圖

圖8為正視分布板流體流動矢量圖。 由圖8a可看出，流體流動隨分布板上舌形孔的開孔方向變化而變化，流動形式為先順時針流動，然后沿徑向流向中心， 物料在設備內的流動時間被延長，增強換熱效果，提高干燥效率，該流體流動狀態(tài)與理論設計的（圖8b）完全一致。

圖8 正視分布板流體流動矢量圖

3 結束語

通過運用CFD計算流體動力學技術對D502流化床干燥器進行數(shù)值分析，直觀地表征了其內部流動狀態(tài)。 著重對比分析目前實際運用的3種分布板舌形孔在不同壓差下的流場分布：流體通過舌形孔時形成非常大的壓力變化梯度，利于物料形成流態(tài)化； 孔的出流速度與截面積不成比例。 分析結果可為進一步優(yōu)化干燥器結構提供指導。