空冷塔的气体分布器进气段流场分析及结构优化

丁 智 谭宏博 温 娜 孙旭阳 孙 郁

（1.西安交通大学能源与动力工程学院；2.浙江智海化工设备工程有限公司；3.中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室）

随着空分装置的日趋大型化，采用大孔隙率、低压降、新型高效填料的空冷塔技术得到迅猛发展；其中，塔内气流的初始分布、压降等参数对填料塔的气体分离效率和产品质量有着重大影响［1］。张吕鸿等基于几种常用的气体分布器，开发了轴径向进料气体分布器，实验表明这种轴径向进料分布器气体分布的均匀性好，但造价高［2］。杜玉萍等通过数值模拟的方法研究了不同结构参数对双列叶片式气体分布器相关性能的影响情况，结果表明叶片数目和叶片直径存在最优值，使分布器气体均布性能达到最佳；大叶片倾角使分布器均布性能得到改善，但压降有所增加［3～5］。Haghshenasfard M等对分布器结构进行优化，通过模拟与实验相结合的手段，发现气体入口直径增大时，分布器的气体均布性能逐渐变好［6］。Kouri R J和Sohlo JJ对塔径500 mm的气、液分布器进行实验，实验结果表明气流进气段分布均匀时，填料层内的气流分布不再受填料和气、液负荷的影响，壁流现象减弱；反之液体的壁流和沟流加重，进而影响气液传质和分离效果，因此优化大型空分装置的空冷塔进气结构、获得均匀的进气流场具有重要的研究意义［7］。

笔者针对4万空分装置的散堆填料空冷塔的单列叶片式气体分布器，采用CFD数值模拟方法仿真进气段气流分布和压降特性，分析了气体分布器的性能及其影响因素。通过改变进气参数和气体分布器结构，比较了不同工况下空冷塔进气段的流场分布特性，评价了其气体分布不均匀度和压降，并对单列叶片式气体分布器结构进行优化以达到更好的综合性能。

1 单列叶片式气体分布器模型建立

1.1 物理模型

以某企业生产的4万空分装置用空冷塔进气段为研究对象（进气流量207 050 Nm3/h，进气压力481.2 kPa，进气温度378.15 K）。空冷塔直径4 500 mm，气体分布器段高度4 745 mm，驼峰板高度377 mm，填料层高度1 000 mm（图1a）。分布器长3 800 mm、宽度1 290 mm，含有5片导流叶片和5片隔板（图1b）。

图1 单列叶片式气体分布器模型

空冷塔段和气体分布器模型部分参数如下：

空冷塔

塔壁厚 8 mm

驼峰板厚度 10 mm

分布器

入口直径 1 246 mm

叶片宽度 1 290 mm

叶片厚度 4 mm

隔板厚度 4 mm

叶片弧度 90°

1.2 控制方程和数值模型

1.2.1 控制方程

对于不可压缩粘性流体，流动时需满足质量、能量和动量守恒定律，流动特征可用连续性方程和雷诺平均方程表示：

式中 Fg——体积力，N；

p——压力，Pa；

u——流体表观速度，m/s；

μ——气体动力粘度，Pa·s；

ρ——流体密度，kg/m3；

τ——时间，s。

湍动模型采用标准k-ε模型［8］，湍动能k和湍动能耗散率ε以运输方程描述：

标准湍动能

湍动能耗散率

式中 v——运动粘度，m2/s；

vT——涡团运动粘度，m2/s。

标准k-ε模型中的系数使用Launder和Spalding的推荐值，即C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.3，σε=1.3。

1.2.2 多孔介质模型用于描述多孔介质渗流的Darcy定律［9］如下：

式中 C2——惯性阻力，1/m；

l——填料层厚度，m；

Δp1——流体流过填料层时的压降，Pa。

Ergun方程［10］用于预测填充床内部的流动阻力：

式中 Dp——颗粒平均直径，m；

εk——床层孔隙率。

1.2.3 定量评价指标

理想的气体分布器应使出口处的气体速度达到均匀分布，其量化指标为气体分布不均匀度M［11］，用来衡量气体分布均匀性，对出口各点进行整体性评价，其物理意义是气体在某个截面上的分布均匀程度，该物理量数值越小，表示气体分布越均匀，该气体分布器的性能也越好。其定义式为：

式中 F——截面面积，m2；

F0——截面总面积，m2。

气体经过分布器后的能量损失量化指标为分布器压降Δp。分布器压降定义为整个计算域内入口处与出口处的压力差，即：

式中 pin——分布器入口压力，Pa；

pout——分布器出口压力，Pa。

1.3 网格划分及边界条件设置

1.3.1 网格划分及无关性验证

空冷塔网格采用四面体网格，对气体分布器、驼峰板与填料层接触面进行局部加密。计算了300万到710万间的7种网格模型的流场分布特性，并给出了空冷塔进气段的总压降。以总压降为评价指标，结果表明，网格数目较少时，模拟所得压降较大；当网格数为640万到710万之间时，整体压降维持在301 Pa左右，增加网格对模拟结果无明显的影响，因此笔者最终选取网格数量为640万的计算模型用于研究。

1.3.2 边界条件设置

模型入口为Velocity-inlet，出口为Pressureoutlet，湍流模型采用标准k-ε模型，考虑了流场中各点的湍动能传递，适用于某些复杂的流动。相关工况参数如下：

空气入口流速 7.59～13.64 m/s

空气入口温度 378.15 K

空气入口密度 5.36 kg/m3

空气入口湿度 20%

空气出口压力 481 200 Pa

压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散方式选用“PRESTO!”算法，动量方程、湍动能、湍动能方程、对流项均采用“一阶迎风格式”进行离散，过程考虑重力加速度9.8 m/s2。当所用物理量（如连续性、速度等）的残差降至10-4以下时，可认为计算达到精度要求。

2 研究结果与讨论

2.1 空冷塔进气段气流分布及压降特性

本节研究含驼峰板和填料层的单列叶片式气体分布器的性能，通过模拟定性分析计算域内的流场分布、压力场分布等指标，选择分布器典型截面：沿竖直方向的对称截面（H截面）和出口截面（Outlet截面），空冷塔进气段内部流场分布特性如图2所示。

图2 典型截面速度等势图、矢量图和压力等势图

由图2a可见，气流进入气体分布器后，撞击导流叶片速度增大，经导流叶片导流后，气体向左下方流动，且气体速度逐渐减小，并在底部形成涡旋区域；图2b给出了H截面的压力等势图，气流经入口到导流叶片处，压力明显增大，这是由于气流撞击导流叶片，动能转化为压力能；空冷塔内分布器上方总压低于分布器下方压力，该模型总压降为302.58 Pa，流经气体分布器压降为275.44 Pa，占总压降的约89%，经驼峰板压降为32.64 Pa，占总压降的10%左右。由Outlet截面速度矢量图（图2c）可见，Outlet截面速度分布相对均匀，平均速度为0.97 m/s，气体分布不均匀度为0.313，但是存在明显的回流区域，结合Outlet截面压力等势图（图2d）可见，回流导致该区域压力较低，气体回流会导致空冷塔内部换热不均等后果，改善气体回流是优化的重要方向。

为改善空冷塔内流场分布，降低空冷塔总压降，必须改进分布器结构以提高其综合性能。为优化气体分布器的气体均布效果，一方面在未改变空冷塔结构的情况下，可分析改变进气工况对分布器性能的影响规律；另一方面改变空冷塔进气结构，即改变气体分布器结构参数，根据模拟不同的结构参数，发现气体入口直径和导流叶片宽度对分布器性能影响显著。因此，笔者讨论不同入口气体速度和不同气体分布器结构参数对空冷塔进气段气流特性的影响规律。

2.2 分布器性能研究

2.2.1 入口气体速度改变对分布器性能的影响

根据前文介绍的空冷塔结构可知，竖直方向上0～623 mm为气体出分布器到驼峰板底端区域，623～1 000 mm为驼峰板区域，1 000～1 600 mm为填料层区域。

4万空分装置空气流量对应为207 050 Nm3/h，当空分装置变负荷运行时，空气流量会在额定流量的70%～120%范围内变化，因此有必要研究流量变化下的入口气体速度对气体分布器性能影响规律。图3反映不同入口速度下空冷塔内部不同截面压力和气体分布不均匀度变化曲线。

图3 不同入口气体速度下截面压力和气体分布不均匀度变化曲线

由图3a可知，在气体即将进入驼峰板时均有一个压力最大值，结合图3b，气体刚出气体分布器后随着截面位置升高，不均匀度逐渐降低，气体分布逐渐均匀，这是气体流道变窄、截面压力升高所致；当入口气体速度最大时，对应截面压力最高，经驼峰板压降可达45 Pa，在填料层内部压力逐渐趋于稳定。其中随着入口气体速度增大，各部分压降逐渐增大，流经驼峰板后气体分布不均匀度升高，这是因为驼峰板开孔在板两侧，气体流过驼峰板孔后朝各个方向流动，因此驼峰板对气体分布起到反向作用，经过填料层，不均匀度逐渐降低，在填料层0～300 mm时，气体分布不均匀度降低较明显，在300～600 mm时，气体分布不均匀度降低较小后逐渐趋于稳定，可见填料层的存在使气体分布不均匀度降低0.5，填料层前300 mm的均布气体效果最明显。

图4为该模型的总压降和气体分布不均匀度随着入口气体速度变化曲线。随着入口气体速度的不断增加，压降呈稳定上升趋势，气体速度从7.59 m/s增加到13.64 m/s时，压降从129.51 Pa增加到414.34 Pa，不均匀度从0.273增加到0.350，入口气体速度每增加10%，压降升高23.37%，不均匀度增加4.48%。可见，进气流量增加，不利于降低压降和提高均布效果。为减小空冷塔内气体流动的压降、提升流场的均匀性，应在较小进气流量下运行。

图4 入口气体速度对总压降和气体分布不均匀度的影响曲线

2.2.2 气体入口直径对分布器性能的影响

在该模型原进气流量的基础上，比较了分布器导流叶片宽度、导流叶片数量及导流叶片增加隔板等工况，分析发现气体入口直径、导流叶片宽度的改变对分布器压降和出口截面气体分布不均匀度的影响较大，因此将对改变分布器入口直径和导流叶片宽度的情况进行具体分析。

根据分布器模型结构，分别取4种气体入口直径（996、1 120、1 246、1 300 mm）的气体分布器模型进行模拟分析。分析结果如图5所示。

根据图5可知不同气体入口直径对应的截面压力和气体分布不均匀度的变化趋势是一致的，由图5a可见，气体出分布器后压力缓慢上升，在即将进入驼峰板时压力达到最大值，且气体入口直径越小截面压力越大，经过驼峰板后，压力损失也越大，气体在进入填料层后压力逐渐趋于稳定。图5b反映气体分布不均匀度的变化趋势，气体出分布器后，分布逐渐均匀，经过驼峰板后气体离散，在填料层0～400 mm内，气体分布不均匀度降低较为明显，在400～600 mm内，气体分布逐渐稳定。比较4种结构可知，气体入口直径越大，气体分布不均匀度越小，气体分布越均匀。

图5 气体入口直径对截面压力和气体分布不均匀度的影响曲线

气体入口直径对模型总压降和气体分布不均匀度的影响如图6所示，随着气体入口直径的不断增大，压降和气体分布不均匀度逐渐减小，气体入口直径从996 mm增加到1 300 mm时，压降从699.98 Pa降低到250.27 Pa，不均匀度从0.414降低到0.236，气体入口直径每增加10%，入口气体速度降低17.36%，压降大约降低35.65%，气体分布不均匀度约降低9.21%。

图6 气体入口直径对总压降和气体分布不均匀度的影响曲线

2.2.3 导流叶片宽度对分布器性能的影响

图7所示为不同导流叶片宽度对应的截面压力和气体分布不均匀度的变化趋势。如图7a所示，气体出分布器后压力缓慢上升，在即将进入驼峰板时压力达到最大值，经过驼峰板后，压力大约降低20～50 Pa左右，气体在进气填料层后压力逐渐趋于稳定。由图7b可见，气体出分布器后不均匀度逐渐降低，分布逐渐均匀，经过驼峰板后不均匀度升高，进入填料层后不均匀度逐渐降低后趋于稳定。

图7 导流叶片宽度对截面压力和气体分布不均匀度的影响曲线

图8反映导流叶片宽度对总压降和气体分布不均匀度的影响趋势，由图8可见，随着导流叶片宽度的增加，压降逐渐降低，不均匀度也逐渐降低，导流叶片宽度在1 000～1 290 mm时，压降和气体分布不均匀度降低趋势明显。导流叶片宽度从1 032 mm增加到1 548 mm时，压降从648.07 Pa降低到244.63 Pa，气体分布不均匀度从0.376降低到0.304，导流叶片宽度每增加10%，整体压降降低13.72%～36.42%，不均匀度降低2.30%～12.78%，可见，导流叶片变宽会使分布器综合性能提高，在导流叶片宽度为1 290～1 550 mm之间时，压降和气体分布不均匀度降低趋势减弱，考虑到导流叶片宽度增加会使分布器侧板、上盖板等参数均增加，因此导流叶片宽度选取1 290 mm较为合适。

图8 导流叶片宽度对压降和气体分布不均匀度的影响曲线

3 结论

3.1 空冷塔原始进气结构和工况条件下，气体流动在空冷塔内局部发生涡流和回流现象，气体流场均匀性较差（气体分布不均匀度为0.313），气体出口平均速度为0.97 m/s，总压降为302.58 Pa，驼峰板压降32.64 Pa。

3.2 入口气体速度对空冷塔进气段流场影响显著，增加入口气体速度造成总压降的增加和气体流场均匀性的恶化，气体速度从7.59 m/s增加到13.64 m/s时，压降从129.51 Pa增加到414.34 Pa，气体分布不均匀度从0.273增加到0.350，为减小空冷塔内气体流动的压降、提升流场的均匀性，应控制入口流量在144 938～207 050 Nm3/h。

3.3 研究了不同气体入口直径、导流叶片宽度下空冷塔内部气体流场分布情况，发现在计算的工况参数范围内，气体入口直径从996 mm增加到1 300 mm时，压降从699.98 Pa降低到250.27 Pa，气体布不均匀度从0.414降低到0.236；导流叶片宽度从1 032 mm增加到1 548 mm时，压降从648.07 Pa降低到244.63 Pa，气体分布不均匀度从0.376降低到0.304；可见增加气体入口直径和导流叶片宽度均降低了总压降并使流场分布更加均匀。