三维数值分析聚丙烯D502流化床干燥器
2021-09-11陈志敏马天鑫张万尧梁元月
陈志敏 李 莉 马天鑫 张万尧 梁元月
（1.中国石化工程建设公司；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）
目前聚丙烯工艺最成熟、运用最多的是环管法， 其中D502流化床干燥器是关键生产设备之一。 为保证聚丙烯装置稳定、安全且经济运行，研究D502流化床干燥器内部的流动情况至关重要。
工艺计算、分布板和流化床构件的结构参数确定是设计D502流化床干燥器的关键内容。分布板的结构形式不仅决定干燥器的工艺性能，而且直接影响聚丙烯装置的运行周期。 国内许多学者对D502流 化 床 干 燥 器 进 行 了 理 论 计 算 分 析［1，2］。为了进一步系统地研究D502流化床干燥器内部流动特征，笔者运用CFD技术对D502流化床干燥器进行三维数值分析，重点研究分布板舌形孔的结构参数，为进一步改进干燥器结构提供依据。
1 数值模拟方法
1.1 模型建立
以目前国内在用的3种不同结构参数（孔高×孔宽）的舌形孔（图1）为研究对象，分别为2.0mm×6.0mm（A型孔）、2.5mm×6.0mm（B型孔）和2.9mm×9.0mm（C型孔），着重分析分布板舌形孔为B型孔时，干燥器的内部流场。
图1 舌形孔结构示意图
如图2所示，采用非结构化网格［3］对干燥器的三维模型进行划分，并完成网格无关性处理。 边界条件分别设置为压力进口和压力出口，采用标准壁面函数。
图2 干燥器的三维模型和网格划分
1.2 控制方程
对流体进行理想化假设，认为是不可压缩介质，所以方程式采用不可压缩流体方程式，并且不考虑能量方程。
连续方程的表达式为：
动量方程即N-S方程， 不可压黏性流体动量方程的微分方程式为：
雷诺时均方程是由N-S方程经过时均化处理得到，具体的表达式为：
湍流模型采用标准k-ε模型， 湍动能k和耗散率ε的表达式分别为：
标准k-ε模型的湍流涡黏性系数vt、 湍动能k和耗散率ε的输运方程可表示为：
式中Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的生成项，σk和σε分别为湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数，输运方程中的常数是通过对典型流动的实验结果和算例结果进行最佳拟合后得到，分别为：Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。
2 结果分析
2.1 3种舌形孔的流场分析
图3为3种舌形孔孔流速度与压差的关系曲线。 由图3可看出，对于同一孔，孔流速度随压差的增大而增大，基本呈线性分布趋势；在同一压差下，A型孔和B型孔的孔流速度明显高于C型孔，说明孔宽和孔高都增大， 即孔截面积增大时，孔流速度自会降低。 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， 说明孔截面积相差不大时，其孔流速度与截面积大小不成比例。
图3 3种舌形孔孔流速度与压差的关系曲线
图4为3种舌形孔在5、10、17kPa压差下的压力云图。 由图4可看出，压力在分布板下方逐渐增大并达到最高值，通过舌形孔时，压力逐渐降低达到很小的值。 如此大的压力变化梯度，保证了气流通过孔的速度。
图4 3种舌形孔在5、10、17kPa压差下的压力云图
图5为5、10、17kPa压差下流体流经3种舌形孔时的速度云图。 由图5可看出，流体在分布板下方流速较小，通过舌形孔时以喷射状流出（此时速度最大），形成非常大的速度梯度，有利于分布板上的物料形成流态化， 可提高设备的干燥效率。
图5 5、10、17kPa压差下流体流经3种舌形孔时的速度云图
2.2 干燥器内部流场分析
对分布板舌形孔为B型孔的干燥器进行流场分析。 图6为x=0截面速度矢量图。 由图6可看出，从进口进入的流体在分布板以下基本均匀流动，通过舌形孔口时速度最大且流动方向有所改变。
图6 x=0截面速度矢量图
图7为x=0截面的压力和速度云图。 由图7a可看出，流体通过舌形孔时压力逐渐降低。 由图7b可看出， 流体在分布板以下的流动状况基本均匀，只在很小区域出现回流和紊流，对流体流动影响不大；流体通过舌形孔时速度逐渐增大形成大的梯度变化， 使设备内部物料形成强的流态化，进而提高设备的干燥效率。
图7 x=0截面的压力和速度云图
图8为正视分布板流体流动矢量图。 由图8a可看出，流体流动随分布板上舌形孔的开孔方向变化而变化，流动形式为先顺时针流动，然后沿径向流向中心， 物料在设备内的流动时间被延长，增强换热效果，提高干燥效率，该流体流动状态与理论设计的（图8b）完全一致。
图8 正视分布板流体流动矢量图
3 结束语
通过运用CFD计算流体动力学技术对D502流化床干燥器进行数值分析，直观地表征了其内部流动状态。 着重对比分析目前实际运用的3种分布板舌形孔在不同压差下的流场分布：流体通过舌形孔时形成非常大的压力变化梯度，利于物料形成流态化； 孔的出流速度与截面积不成比例。 分析结果可为进一步优化干燥器结构提供指导。
