丁 智 譚宏博 溫 娜 孫旭陽 孫 郁

（1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.浙江智?；ぴO(shè)備工程有限公司；3.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著空分裝置的日趨大型化，采用大孔隙率、低壓降、新型高效填料的空冷塔技術(shù)得到迅猛發(fā)展；其中，塔內(nèi)氣流的初始分布、壓降等參數(shù)對(duì)填料塔的氣體分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著重大影響［1］。張呂鴻等基于幾種常用的氣體分布器，開發(fā)了軸徑向進(jìn)料氣體分布器，實(shí)驗(yàn)表明這種軸徑向進(jìn)料分布器氣體分布的均勻性好，但造價(jià)高［2］。杜玉萍等通過數(shù)值模擬的方法研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙列葉片式氣體分布器相關(guān)性能的影響情況，結(jié)果表明葉片數(shù)目和葉片直徑存在最優(yōu)值，使分布器氣體均布性能達(dá)到最佳；大葉片傾角使分布器均布性能得到改善，但壓降有所增加［3～5］。Haghshenasfard M等對(duì)分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，發(fā)現(xiàn)氣體入口直徑增大時(shí)，分布器的氣體均布性能逐漸變好［6］。Kouri R J和Sohlo JJ對(duì)塔徑500 mm的氣、液分布器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣流進(jìn)氣段分布均勻時(shí)，填料層內(nèi)的氣流分布不再受填料和氣、液負(fù)荷的影響，壁流現(xiàn)象減弱；反之液體的壁流和溝流加重，進(jìn)而影響氣液傳質(zhì)和分離效果，因此優(yōu)化大型空分裝置的空冷塔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、獲得均勻的進(jìn)氣流場具有重要的研究意義［7］。

筆者針對(duì)4萬空分裝置的散堆填料空冷塔的單列葉片式氣體分布器，采用CFD數(shù)值模擬方法仿真進(jìn)氣段氣流分布和壓降特性，分析了氣體分布器的性能及其影響因素。通過改變進(jìn)氣參數(shù)和氣體分布器結(jié)構(gòu)，比較了不同工況下空冷塔進(jìn)氣段的流場分布特性，評(píng)價(jià)了其氣體分布不均勻度和壓降，并對(duì)單列葉片式氣體分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到更好的綜合性能。

1 單列葉片式氣體分布器模型建立

1.1 物理模型

以某企業(yè)生產(chǎn)的4萬空分裝置用空冷塔進(jìn)氣段為研究對(duì)象（進(jìn)氣流量207 050 Nm3/h，進(jìn)氣壓力481.2 kPa，進(jìn)氣溫度378.15 K）?？绽渌睆? 500 mm，氣體分布器段高度4 745 mm，駝峰板高度377 mm，填料層高度1 000 mm（圖1a）。分布器長3 800 mm、寬度1 290 mm，含有5片導(dǎo)流葉片和5片隔板（圖1b）。

圖1 單列葉片式氣體分布器模型

空冷塔段和氣體分布器模型部分參數(shù)如下：

空冷塔

塔壁厚 8 mm

駝峰板厚度 10 mm

分布器

入口直徑 1 246 mm

葉片寬度 1 290 mm

葉片厚度 4 mm

隔板厚度 4 mm

葉片弧度 90°

1.2 控制方程和數(shù)值模型

1.2.1 控制方程

對(duì)于不可壓縮粘性流體，流動(dòng)時(shí)需滿足質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定律，流動(dòng)特征可用連續(xù)性方程和雷諾平均方程表示：

式中 Fg——體積力，N；

p——壓力，Pa；

u——流體表觀速度，m/s；

μ——?dú)怏w動(dòng)力粘度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3；

τ——時(shí)間，s。

湍動(dòng)模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［8］，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε以運(yùn)輸方程描述：

標(biāo)準(zhǔn)湍動(dòng)能

湍動(dòng)能耗散率

式中 v——運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；

vT——渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的系數(shù)使用Launder和Spalding的推薦值，即C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.3，σε=1.3。

1.2.2 多孔介質(zhì)模型用于描述多孔介質(zhì)滲流的Darcy定律［9］如下：

式中 C2——慣性阻力，1/m；

l——填料層厚度，m；

Δp1——流體流過填料層時(shí)的壓降，Pa。

Ergun方程［10］用于預(yù)測填充床內(nèi)部的流動(dòng)阻力：

式中 Dp——顆粒平均直徑，m；

εk——床層孔隙率。

1.2.3 定量評(píng)價(jià)指標(biāo)

理想的氣體分布器應(yīng)使出口處的氣體速度達(dá)到均勻分布，其量化指標(biāo)為氣體分布不均勻度M［11］，用來衡量氣體分布均勻性，對(duì)出口各點(diǎn)進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)，其物理意義是氣體在某個(gè)截面上的分布均勻程度，該物理量數(shù)值越小，表示氣體分布越均勻，該氣體分布器的性能也越好。其定義式為：

式中 F——截面面積，m2；

F0——截面總面積，m2。

氣體經(jīng)過分布器后的能量損失量化指標(biāo)為分布器壓降Δp。分布器壓降定義為整個(gè)計(jì)算域內(nèi)入口處與出口處的壓力差，即：

式中 pin——分布器入口壓力，Pa；

pout——分布器出口壓力，Pa。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

1.3.1 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

空冷塔網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，對(duì)氣體分布器、駝峰板與填料層接觸面進(jìn)行局部加密。計(jì)算了300萬到710萬間的7種網(wǎng)格模型的流場分布特性，并給出了空冷塔進(jìn)氣段的總壓降。以總壓降為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)目較少時(shí)，模擬所得壓降較大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為640萬到710萬之間時(shí)，整體壓降維持在301 Pa左右，增加網(wǎng)格對(duì)模擬結(jié)果無明顯的影響，因此筆者最終選取網(wǎng)格數(shù)量為640萬的計(jì)算模型用于研究。

1.3.2 邊界條件設(shè)置

模型入口為Velocity-inlet，出口為Pressureoutlet，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考慮了流場中各點(diǎn)的湍動(dòng)能傳遞，適用于某些復(fù)雜的流動(dòng)。相關(guān)工況參數(shù)如下：

空氣入口流速 7.59～13.64 m/s

空氣入口溫度 378.15 K

空氣入口密度 5.36 kg/m3

空氣入口濕度 20%

空氣出口壓力 481 200 Pa

壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散方式選用“PRESTO!”算法，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能方程、對(duì)流項(xiàng)均采用“一階迎風(fēng)格式”進(jìn)行離散，過程考慮重力加速度9.8 m/s2。當(dāng)所用物理量（如連續(xù)性、速度等）的殘差降至10-4以下時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到精度要求。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 空冷塔進(jìn)氣段氣流分布及壓降特性

本節(jié)研究含駝峰板和填料層的單列葉片式氣體分布器的性能，通過模擬定性分析計(jì)算域內(nèi)的流場分布、壓力場分布等指標(biāo)，選擇分布器典型截面：沿豎直方向的對(duì)稱截面（H截面）和出口截面（Outlet截面），空冷塔進(jìn)氣段內(nèi)部流場分布特性如圖2所示。

圖2 典型截面速度等勢圖、矢量圖和壓力等勢圖

由圖2a可見，氣流進(jìn)入氣體分布器后，撞擊導(dǎo)流葉片速度增大，經(jīng)導(dǎo)流葉片導(dǎo)流后，氣體向左下方流動(dòng)，且氣體速度逐漸減小，并在底部形成渦旋區(qū)域；圖2b給出了H截面的壓力等勢圖，氣流經(jīng)入口到導(dǎo)流葉片處，壓力明顯增大，這是由于氣流撞擊導(dǎo)流葉片，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能；空冷塔內(nèi)分布器上方總壓低于分布器下方壓力，該模型總壓降為302.58 Pa，流經(jīng)氣體分布器壓降為275.44 Pa，占總壓降的約89%，經(jīng)駝峰板壓降為32.64 Pa，占總壓降的10%左右。由Outlet截面速度矢量圖（圖2c）可見，Outlet截面速度分布相對(duì)均勻，平均速度為0.97 m/s，氣體分布不均勻度為0.313，但是存在明顯的回流區(qū)域，結(jié)合Outlet截面壓力等勢圖（圖2d）可見，回流導(dǎo)致該區(qū)域壓力較低，氣體回流會(huì)導(dǎo)致空冷塔內(nèi)部換熱不均等后果，改善氣體回流是優(yōu)化的重要方向。

為改善空冷塔內(nèi)流場分布，降低空冷塔總壓降，必須改進(jìn)分布器結(jié)構(gòu)以提高其綜合性能。為優(yōu)化氣體分布器的氣體均布效果，一方面在未改變空冷塔結(jié)構(gòu)的情況下，可分析改變進(jìn)氣工況對(duì)分布器性能的影響規(guī)律；另一方面改變空冷塔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，即改變氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)模擬不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣體入口直徑和導(dǎo)流葉片寬度對(duì)分布器性能影響顯著。因此，筆者討論不同入口氣體速度和不同氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空冷塔進(jìn)氣段氣流特性的影響規(guī)律。

2.2 分布器性能研究

2.2.1 入口氣體速度改變對(duì)分布器性能的影響

根據(jù)前文介紹的空冷塔結(jié)構(gòu)可知，豎直方向上0～623 mm為氣體出分布器到駝峰板底端區(qū)域，623～1 000 mm為駝峰板區(qū)域，1 000～1 600 mm為填料層區(qū)域。

4萬空分裝置空氣流量對(duì)應(yīng)為207 050 Nm3/h，當(dāng)空分裝置變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空氣流量會(huì)在額定流量的70%～120%范圍內(nèi)變化，因此有必要研究流量變化下的入口氣體速度對(duì)氣體分布器性能影響規(guī)律。圖3反映不同入口速度下空冷塔內(nèi)部不同截面壓力和氣體分布不均勻度變化曲線。

圖3 不同入口氣體速度下截面壓力和氣體分布不均勻度變化曲線

由圖3a可知，在氣體即將進(jìn)入駝峰板時(shí)均有一個(gè)壓力最大值，結(jié)合圖3b，氣體剛出氣體分布器后隨著截面位置升高，不均勻度逐漸降低，氣體分布逐漸均勻，這是氣體流道變窄、截面壓力升高所致；當(dāng)入口氣體速度最大時(shí)，對(duì)應(yīng)截面壓力最高，經(jīng)駝峰板壓降可達(dá)45 Pa，在填料層內(nèi)部壓力逐漸趨于穩(wěn)定。其中隨著入口氣體速度增大，各部分壓降逐漸增大，流經(jīng)駝峰板后氣體分布不均勻度升高，這是因?yàn)轳劮灏彘_孔在板兩側(cè)，氣體流過駝峰板孔后朝各個(gè)方向流動(dòng)，因此駝峰板對(duì)氣體分布起到反向作用，經(jīng)過填料層，不均勻度逐漸降低，在填料層0～300 mm時(shí)，氣體分布不均勻度降低較明顯，在300～600 mm時(shí)，氣體分布不均勻度降低較小后逐漸趨于穩(wěn)定，可見填料層的存在使氣體分布不均勻度降低0.5，填料層前300 mm的均布?xì)怏w效果最明顯。

圖4為該模型的總壓降和氣體分布不均勻度隨著入口氣體速度變化曲線。隨著入口氣體速度的不斷增加，壓降呈穩(wěn)定上升趨勢，氣體速度從7.59 m/s增加到13.64 m/s時(shí)，壓降從129.51 Pa增加到414.34 Pa，不均勻度從0.273增加到0.350，入口氣體速度每增加10%，壓降升高23.37%，不均勻度增加4.48%。可見，進(jìn)氣流量增加，不利于降低壓降和提高均布效果。為減小空冷塔內(nèi)氣體流動(dòng)的壓降、提升流場的均勻性，應(yīng)在較小進(jìn)氣流量下運(yùn)行。

圖4 入口氣體速度對(duì)總壓降和氣體分布不均勻度的影響曲線

2.2.2 氣體入口直徑對(duì)分布器性能的影響

在該模型原進(jìn)氣流量的基礎(chǔ)上，比較了分布器導(dǎo)流葉片寬度、導(dǎo)流葉片數(shù)量及導(dǎo)流葉片增加隔板等工況，分析發(fā)現(xiàn)氣體入口直徑、導(dǎo)流葉片寬度的改變對(duì)分布器壓降和出口截面氣體分布不均勻度的影響較大，因此將對(duì)改變分布器入口直徑和導(dǎo)流葉片寬度的情況進(jìn)行具體分析。

根據(jù)分布器模型結(jié)構(gòu)，分別取4種氣體入口直徑（996、1 120、1 246、1 300 mm）的氣體分布器模型進(jìn)行模擬分析。分析結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知不同氣體入口直徑對(duì)應(yīng)的截面壓力和氣體分布不均勻度的變化趨勢是一致的，由圖5a可見，氣體出分布器后壓力緩慢上升，在即將進(jìn)入駝峰板時(shí)壓力達(dá)到最大值，且氣體入口直徑越小截面壓力越大，經(jīng)過駝峰板后，壓力損失也越大，氣體在進(jìn)入填料層后壓力逐漸趨于穩(wěn)定。圖5b反映氣體分布不均勻度的變化趨勢，氣體出分布器后，分布逐漸均勻，經(jīng)過駝峰板后氣體離散，在填料層0～400 mm內(nèi)，氣體分布不均勻度降低較為明顯，在400～600 mm內(nèi)，氣體分布逐漸穩(wěn)定。比較4種結(jié)構(gòu)可知，氣體入口直徑越大，氣體分布不均勻度越小，氣體分布越均勻。

圖5 氣體入口直徑對(duì)截面壓力和氣體分布不均勻度的影響曲線

氣體入口直徑對(duì)模型總壓降和氣體分布不均勻度的影響如圖6所示，隨著氣體入口直徑的不斷增大，壓降和氣體分布不均勻度逐漸減小，氣體入口直徑從996 mm增加到1 300 mm時(shí)，壓降從699.98 Pa降低到250.27 Pa，不均勻度從0.414降低到0.236，氣體入口直徑每增加10%，入口氣體速度降低17.36%，壓降大約降低35.65%，氣體分布不均勻度約降低9.21%。

圖6 氣體入口直徑對(duì)總壓降和氣體分布不均勻度的影響曲線

2.2.3 導(dǎo)流葉片寬度對(duì)分布器性能的影響

圖7所示為不同導(dǎo)流葉片寬度對(duì)應(yīng)的截面壓力和氣體分布不均勻度的變化趨勢。如圖7a所示，氣體出分布器后壓力緩慢上升，在即將進(jìn)入駝峰板時(shí)壓力達(dá)到最大值，經(jīng)過駝峰板后，壓力大約降低20～50 Pa左右，氣體在進(jìn)氣填料層后壓力逐漸趨于穩(wěn)定。由圖7b可見，氣體出分布器后不均勻度逐漸降低，分布逐漸均勻，經(jīng)過駝峰板后不均勻度升高，進(jìn)入填料層后不均勻度逐漸降低后趨于穩(wěn)定。

圖7 導(dǎo)流葉片寬度對(duì)截面壓力和氣體分布不均勻度的影響曲線

圖8反映導(dǎo)流葉片寬度對(duì)總壓降和氣體分布不均勻度的影響趨勢，由圖8可見，隨著導(dǎo)流葉片寬度的增加，壓降逐漸降低，不均勻度也逐漸降低，導(dǎo)流葉片寬度在1 000～1 290 mm時(shí)，壓降和氣體分布不均勻度降低趨勢明顯。導(dǎo)流葉片寬度從1 032 mm增加到1 548 mm時(shí)，壓降從648.07 Pa降低到244.63 Pa，氣體分布不均勻度從0.376降低到0.304，導(dǎo)流葉片寬度每增加10%，整體壓降降低13.72%～36.42%，不均勻度降低2.30%～12.78%，可見，導(dǎo)流葉片變寬會(huì)使分布器綜合性能提高，在導(dǎo)流葉片寬度為1 290～1 550 mm之間時(shí)，壓降和氣體分布不均勻度降低趨勢減弱，考慮到導(dǎo)流葉片寬度增加會(huì)使分布器側(cè)板、上蓋板等參數(shù)均增加，因此導(dǎo)流葉片寬度選取1 290 mm較為合適。

圖8 導(dǎo)流葉片寬度對(duì)壓降和氣體分布不均勻度的影響曲線

3 結(jié)論

3.1 空冷塔原始進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和工況條件下，氣體流動(dòng)在空冷塔內(nèi)局部發(fā)生渦流和回流現(xiàn)象，氣體流場均勻性較差（氣體分布不均勻度為0.313），氣體出口平均速度為0.97 m/s，總壓降為302.58 Pa，駝峰板壓降32.64 Pa。

3.2 入口氣體速度對(duì)空冷塔進(jìn)氣段流場影響顯著，增加入口氣體速度造成總壓降的增加和氣體流場均勻性的惡化，氣體速度從7.59 m/s增加到13.64 m/s時(shí)，壓降從129.51 Pa增加到414.34 Pa，氣體分布不均勻度從0.273增加到0.350，為減小空冷塔內(nèi)氣體流動(dòng)的壓降、提升流場的均勻性，應(yīng)控制入口流量在144 938～207 050 Nm3/h。

3.3 研究了不同氣體入口直徑、導(dǎo)流葉片寬度下空冷塔內(nèi)部氣體流場分布情況，發(fā)現(xiàn)在計(jì)算的工況參數(shù)范圍內(nèi)，氣體入口直徑從996 mm增加到1 300 mm時(shí)，壓降從699.98 Pa降低到250.27 Pa，氣體布不均勻度從0.414降低到0.236；導(dǎo)流葉片寬度從1 032 mm增加到1 548 mm時(shí)，壓降從648.07 Pa降低到244.63 Pa，氣體分布不均勻度從0.376降低到0.304；可見增加氣體入口直徑和導(dǎo)流葉片寬度均降低了總壓降并使流場分布更加均勻。