隔板塔中气体调配装置数值模拟与实验研究

陈祥武，孙 姣，陈 楠，葛化强，陈文义

（1.河北工业大学 化工学院，天津 300130；2.河北工业大学 工程流动与过程强化研究中心，天津 300130）

隔板塔（DWC)是一种完全热耦合精馏塔,早在1933年由Eric[1]因裂解气问题提出，塔中多股物流同时在塔内进行传质、传热，能够实现单塔多组分分离，既可以提高热力学效率、降低能耗，又可以减少设备投资[2-3]．

Halvorsen等人[4]运用简捷法对隔板塔能耗进行研究，分析发现隔板塔比普通精馏塔额外增加了2个自由变量液相和气相分流比（Liquid and vapor splitratios），并且这2个变量对于隔板塔的节能起到至关重要的作用．袁希钢[5]、方静[6]、何西涛[7]等在各自的研究体系中，分析了气、液相分配比对隔板塔操作性能的影响，均指出适当的气、液相分配比能降低隔板塔的能耗，提高精馏产品的纯度．同时，实现气流在隔板两侧空间的均匀分布也是及其重要的，潘国昌[8-9]指出气流在精馏塔内应均匀分布，否则将出现气液沟流、接触不良及出塔产品不符合等问题．可见实现气、液分配比调节及上升气体在隔板两侧均匀分布是非常有意义的，这也是推进隔板塔技术发展的关键内容．王二强[10]综述了国内外隔板塔内部气、液相分配比调节装置的应用情况，指出液相分配比调节装置相对成熟，气相分配比的控制还是一个难题．

以往研究者们更多关注的是气、液相分配比对隔板塔性能的影响，尤其是对于气相分配，以被动方式分配气体到隔板两侧，严重影响隔板塔的有效调节．本课题组开发了一种新型的隔板塔气体调配装置，能有效地实现隔板塔的气体调节和分布，本文针对这种新型的气体调配装置，开展了数值分析与实验研究．

1 数值模拟

1.1 气体调配装置计算区域网格及几何模型

气体调配装置由升气通道、调节板、气体分布板和气体分布机构组成，如图1a）所示，随着调节板开度变化，升气通道内部气体流通阻力发生改变，在不同的通道内阻力下，气体在不同的升气通道内实现分流，最后由气体分布机构均匀分布到隔板两侧．选取内径284mm，高度1500 mm的隔板塔为计算区域，装置位于厚度8mm、高度600mm的隔板下端，利用STAR-CCM+，采用多面体网格对计算区域进行网格划分，气体调配装置计算区域网格如图1b）所示．初始参数计算如下．

流体介质为20℃空气，密度 =1.205 kg/m3，粘度 =1.81×105Pa s，进口速度 =0.732 m/s．

1）输送气体雷诺数

2）湍流强度

3）特征长度

式中： 为速度入口截面的当量直径，m．

图1 气体调配装置计算区域网格及几何模型Fig.1 Polyhedral mesh of computational fluid region and geometrical model of vapor split device

1.2 控制方程

基于不可压的雷诺平均方程组求解，采用Realizable 二方程湍流模型构成封闭的方程组，模型采用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法．

1.3 边界条件

选取隔板塔底端和顶端作为模拟的速度入口和压力出口，进口速度 =0.732 m/s，出口压力为大气压，根据壁面不滑移假设，计算区域壁面设置为非滑移网格属性，设置边界层厚度为0.003 3 m．

根据文献 [11]，调节气体分配比过程中，一侧全开，只调节其中一侧开度，这种调节方式可以更好地获得节能效果．文中只改变左侧调节板开度，开度（）分别为：10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°．

2 升气通道内部的流场分布

图2、图3是调节板在20°、50°、80°开度下气体调配装置双侧升气通道 =0.142 m纵向截面处的流场压力云图、速度云图，相对于左侧带有调节板的升气通道内流场的分布情况，右侧升气通道内的气相流场分布比较均匀，随着调节板开度的增大，流场中速度、压力分布值在降低，下面主要分析左侧气体通道内流场分布状况．

由图2压力云图可以看出，随着调节板开度的增大，气体有效流通面积增加，调节板前后压力梯度减小，气体流动阻力下降，在开度为20°时，调节板前端压力较大，后端压力较小，并有局部的负压区，形成较大的压力梯度，数值远高于开度为50°和80°的情况，在开度50°时，低压区面积减少，负压区消失，在开度80°时，压力场分布比较均匀．

由图3速度云图可以看出，通道内的气体流速随着开度的增大而增加，在开度为20°时，通道内流速很小，数值远小于开度为50°和80°的情况，流体几乎被堵住，气体通过狭窄流道后沿侧壁向上流动，在开度为50°时，高速气体流过调节板后，沿侧壁处流速较大，中心位置处流速较小，并有局部漩涡产生，开度为80°时，气体在通道内高速、均匀流动．

图2 不同开度下升气通道 =0.142 m纵向截面处流场压力云图Fig.2 Pressurecontoursof thelongitudinal section =0.142mof gaschannelsatdifferentopeningdegrees

图3 不同开度下升气通道 =0.142 m纵向截面处流场速度云图Fig.3 Velocity contoursof thelongitudinal section =0.142 m of gaschannelsat different opening degrees

3 气体分布机构结构优化

本部分选取隔板塔底端为气相进口，采用速度入口作为边界条件，进口速度 =0.732 m/s．

气体分布机构是实现气体均匀分布到隔板两侧的关键结构，气体通过不同V型角度（）的气体分布机构时的流动特性直接影响气体分布，选取 =30°、 =40°、 =50°、 =60°，4种V型角度，对比气体经过该尺寸气体分布机构的流动特性，采用气体不均匀度[8]来表征气体在隔板两侧空间的分布情况：

气体分布机构在 =1 m纵向截面处的速度流场分布如图4所示，气体由升气通道流到气体分布板的下端空间内，通道垂直上方区域流体速度相对较大，两侧区域速度较小，速度流场分布不均匀，靠近壁面处有局部漩涡产生，气体通过分布板后得到均匀分布，相对于V型角度 =30°、50°、60°时，气体通过分布板后中心区域速度相对较大的情况，V型角度 =40°时，分布板上端的气速分布比较均匀，气体以较高的流速均匀的流到气体分布机构的升气管中，高速气体受V帽的阻挡，绝大部分气体由相邻V帽边缘的空间处喷射到上方，少量气体则反转向下流动，在V型角度为40°时，气体经过相邻V帽之间空隙处喷射强度较强．

图4 4种V型角度气体分布机构 =1 m纵向截面处速度矢量图Fig.4 Velocity vector distributionsof four kindsof V anglegas distribution structureat longitudinal section of =1 m

气体通过不同V型角度的气体分布机构的压降损失比较结果见表1，由表1可以看出，随着V型角度 的增加，气体调配装置内部的压降逐渐升高，显然这是由于角度增大，气体通过相邻V帽之间的流动空间变小，气体流通阻力增大，造成的阻力损失增加．

表1 不同V型角度气体调配装置内部压降损失Tab.1 Pressure drop in vapor split device at different V angle

气体通过气体调配装置V帽上部，不同轴向位置横截面上气体分布不均匀度 值见图5．可以看出，气体不均匀度 随V帽角度 和截面高度H而变化，同截面上，在 =40°时的 具有最小值， =30°时的 值略有增加，但明显小于 =50°、 =60°时的 值，同一V型角度 时，随着截面高度H的增加，气体分布不均匀度 的数值不断降低，气体在截面上的分布越均匀．

通过上述的优化分析可知，V帽作为该装置的关键结构，对装置的压降损失及气体通过装置后在隔板两侧的分布情况均影响较大，V型角度 =40°时，气体不均匀度 具有最小值，气体在隔板两侧的分布情况最优，但压降损失略高于V型角度 =30°时的情况．

图5 气体分布不均匀度与V型角度 关系Fig.5 Therelationship between uneven distribution of gasand V angle

4 实验研究

为了分析气体调配装置的调节特性及验证数值模拟的准确性，进行了实验研究．

由上述对流场分析可知，通过改变调节板开度，可以将塔底上升气体按一定的比例分配到隔板的两侧，为表征塔底上升气体在隔板两侧的分配情况，定义气体分配比 为

式中：Q1、Q2为塔底上升气体在左、右两升气通道内分配的流量值，m3/h．

4.1 实验装置

实验装置如图6所示，由JH-1型离心风机提供气源，采用L型皮托管和RE1211数值微压计配合使用测量进入隔板塔的气体流量值，U型管压差计和L型皮托管配合使用采集双侧升气通道内同一截面上的多点速度值．隔板塔内径为284 mm、外径300 mm，高度1 500 mm，气体调配装置外径为300 mm，总高为140mm，位于厚度8mm、高度600mm的隔板下端，均采用有机玻璃材质．

4.2 实验方法

实验在介质为20℃空气中进行，塔内进气流量为167m3/h，表观气速为0.732 m/s．

实验采用皮托管系数K=1的L型皮托管，在测量塔内进气流量时，皮托管垂直于进气管道中间位置，另一端与RE1211数值微压计相连，仪表显示气体流量值．

速度分布的测量采用皮托管作为测速手段，并配合U型管压差计对升气通道内靠近出口处的速度分布进行测量，测量时皮托管垂直于升气通道调节板上端的横截面．对速度数据进行处理时，用不可压缩的伯努利方程计算截面中某一点的气速 ．

图6 实验装置示意图Fig.6 Diagram of experimental apparatus

其中：u为测量点处流体速度，m/s；K为皮托管系数； P为通过皮托管测得的动压，Pa； 为空气密度，kg/m3．

多点测量流速后，求得流速平均值，计算升气通道内的气体流量值Q．

其中：Q为流量值，m3/h；A为升气通道横截面积，m2；U为平均流速，m/s．

4.3 实验结果及分析

实验结果与模拟结果对比情况如图7所示，可以看出模拟值与实验值比较吻合，证明了文中的数值计算方法用于气体调配装置研究是可行、有效的．随着调节板开度（）的降低，左右升气通道内的流量值均发生变化，流量值1减少，流量值2增加，气体分配比 不断增大，且开度大于50°时，变化幅度较小，装置工作的缓和平稳，开度小于50°时，变化幅度较大，装置调节灵敏．

5 结论

1）该种气体分配装置满足隔板塔性能要求，可调节性好，同时实现隔板两侧气体流量调节及气体的均匀分布．

2）数值计算值和实验值比较吻合，表明用本文的模型和方法对装置进行流场模拟及结构优化是可行的．

图7 数值模拟与实验结果对比Fig.7 Comparison of numerical results with experiments

3）数值模拟表明：上升气体在装置双侧升气通道内发生分流，带有调节板通道内的流动状况较复杂，压力场、速度场的分布受调节板开度的影响较大，在开度小于50°时，气体绕过调节板后形成较大的压力梯度，通道内流速较小，有局部漩涡产生，气体分配比变化较大，装置调节灵敏有效；在开度大于50°时，压力梯度降低，流速增大，局部漩涡强度减弱，气体分配比变化缓慢，装置工作缓和平稳．

4）V帽角度的改变对气体通过装置后的压降损失、气体分布的均匀性影响较大，V型角度为40°时，气体分布不均匀度 具有最小值，气体在隔板两侧的分布情况最优，且气体通过装置的压力损失在可接受范围内，为最佳选择．

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[11]Deeptanshu Dwivedi．Control and operation of dividing-wall-column with vapor split manipulation [D]．Trondheim：Norwegian University of Scienceand Technology，2013：95．