石化塔物料流场分析.pdf

北京工业大学 硕士学位论文 石化塔物料流场分析 姓名：张亮 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：李晓延 20070401 摘要 浮阀汽提塔是石化工业中由环氧乙烷制备乙二醇的重要设备。某石化企业的 该重要设备在服役的过程中，发现下塔部分塔壁内部位于下塔塔盘入口和出口附 近内壁处出现大面积的区域减薄，且有密密麻麻分布的波纹状坑点，并有穿孔发 生。经分析，认为造成腐蚀和破坏的因素主要是流体的冲蚀磨损和气体的气蚀磨 损相互作用的结果。 本文利用计算流体力学软件f l u e n t 对内部的流动进行模拟，来研究流动 对腐蚀的影响。 本文首先通过拟单相流的方法，分析液相冲刷对腐蚀的影响，文中把气相看 作是离散相，考虑其在液相流中起的是阻碍作用力，加入到液相方程中，计算结 果表明：液流入口附近的壁面腐蚀是由流体冲刷导致的磨损腐蚀引起的，模拟的 结果与实际相符。 本文对全塔的气流进行了模拟，结果发现，下塔气流偏流严重，塔壁周围存 在速度梯度大，局部负荷大的缺点，建议对双列式气体分布器进行重新设计和改 进，以达到气体分布均匀，塔壁局部负荷减小的目的。 本文然后对采用新式的双切环流式气体分布器全塔气流进行模拟，得出气体 分布相对最均匀，性能最好的一种设计，明显改善了气流分布不均匀性。 本文最后分别对采用两种不同气体分布器的全塔气流进行两相流模拟，并通 过气含率来表征气相的分布状况。结果显示，塔盘出口处的腐蚀主要是由气蚀引 起，而当采用新式气体分布器后，气含率分布均匀，气蚀状况将得到明显改善。 总之，本文通过计算模拟的方法，在分析腐蚀的具体原因后，提出改善气体 分布器的办法，使该气提塔能够减小腐蚀，延长服役寿命，对实际生产有着重要 的意义。 关键词模拟：磨损腐蚀；气蚀；双切环流式气体分布器 a b s t r a c t t h ee p o x ye t h a n e ( e 0 s t r i p p e ri sa l li m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c hc o u l dm a k e e p o x ye l l l a n ei n t oe t h y l e n ea l c o h o li nt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y w i d d yt h i na r e a , e v e nd o t t e dp i t t i n ga n dh o l e sw e l ef o u n do nt h ei n w a l ln 哪t h el i q u i de n t r a n c ea n d e x i t t h o s ew o i l l dg i v er i s et ob a di n f l u e n c e st ot h es a f es e r v i c eo ft h ee q u i p m e n t i t w a sc o n s i d e r e dt h a te r o s i o na n dc a v i t a t i o nw e r et h et w om a i ni n t e r a c t i o n a lr e a s o n st o t h ed e s t r o yo f t h es t r i p p e r i nt h i sp a p e r , c o m p u t a t i o n a lf l l l i dd y n a m i c s ( c f d ) 一f l u e n tm e t h o d sw e r e u s e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di nt h es t r i p p e ri no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to ft h ef l o w s t ot h ec o r r o s i o n f i r s t l y , aq u a s i s i n g l ep h a s el i q u i dt u r b u l e n tf l o wm o d e lw a sd e v e l o p e d i nt h i s m o d e l ，i n t e r a c t i o n sb e t w e e nl i q u i da n db u b b l i n gg a sp h a s ew e r et a k e na c c o u n ta st h e i n t c r p h a s ed r a gf o r c e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o r r o s i o na r e ai l e a l - t h el i q u i d e n t r a n c ew a sc a u s e db yt h ee r o s i o nw h i c hf o r c c a s t e di nt h ep a p e r i tw a sc o n s i s t e n t w i t ht h ef a c t s e c o n d l y , t h eg a ss i n g l e - p h a s ef l o wi nt h es t r i p p e rw a ss i m u l a t e d n er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h eg a sf l o ww a si ns e r i o u si m b a l a n c e ；l a r g ev e l o c i t y 蓼a d i e n t a r o u n dt h ew a l lc a u s e dt h eh i g hr i s ks e r i o u sp a r t i a ll o a d i ti ss u g g e s t e di nt h ep a p e r t h a ti ti sn e c e s s a r yt or e d e s i g nt h ed i s t r i b u t o rt oh a v eab e t t e rf l o wa n dr e d u c et h e p a r t i a ll o a d t h i r d l y , at y p eo fn e wd e s i g no fd o u b l c - e n tc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t o rr e p l a c e dt h e o l do n e s i m u l a t i o na b o u tt h es t r i p p e rw i t ht h ed o u b l e - c u tc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t o rw a s t a k e np l a c e a n dab e s td e s i g nw a sc h o s e nw h i c hs h o w e dab e t t e rb e h a v et h a nt h eo l d o n e a tl a s t , t w od o n b l e - p h a s es i m u l a t i o n sa b o u tt h ed i f f e r e n td i s t r i b u t o ra r ed o n ei n t h ep a p e r b u b b l er a t ea b o v et h et r a yw a st a k e nt os h o wt h eg a sd i s t r i b u t i o n 1 1 1 e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o r r o s i o oa r c ai l e a l “ t h el i q u i de x i tw a sc a u s e db yt h e c a v i t a t i o nw h i c hf o r e c a s t e di nt h ep a p e r i ta l s oc o n s i s t e n tw i mt h ef a c t a f t e rt h e d o u b l e - c u tc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t o rw a su s e d ，t h eb u b b l er a t ew o d db em o r eu n i f o r m , w h i c h m e a n st h ec a v i t a t i o no f t h es t r i p p e rw i l lb ei m p r o v e d i l lb r i e l , t h es i m a l a f i o nm e t h o dw a su s e dt oa n a l y s et h er e a s o no ft h ec o r r o s i o n t h e nan o wt y p ed i s t r i b u t i o nw a sd e s i g n e dt or e d u c et h ec o r r o s i o na n dp r o l o n gt h e i l l 北京工业大学工学硕士学位论文 s e r v i n gl i f e k e y w o r d ls i m u l a t i o n ：e r o s i o n ；c a v i t a t i o n ：d o n b i c - c u tc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t o r v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；日期：堂丑丝刁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 缸期：越婢饲 1 1 塔设备简介 第1 章绪论 塔设备在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，都是及其重要的 过程设备。塔设备的作用是实现气一液或液一液之间的充分接触，从而达到相之间 传质及传热的目的。塔设备按照内部结构可以分为填料塔和板式塔。 板式塔是一种逐级( 板) 接触的气液传质设备。塔内以塔盘作为基本构件， 气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层，使气一液相密切接触而 进行传质与传热。 板式塔的种类繁多，按照结构又可以分为：泡罩塔、筛板塔、浮河塔、舌形 塔等。 ( 1 ) 泡罩塔 泡罩塔的工业应用己有一百多年的历史。是最早应用的板式塔。2 0 世纪5 0 年代以前，在气液传质设备中占据主导地位。5 0 年代以后逐渐被浮阀塔、筛板 塔代替。泡罩塔最大的优点是操作弹性大，抗污防塞，所以在一些特殊的场合还 有用武之地，例如，酒精生产中的蒸馏塔大多使用泡罩塔，可以防止发酵液中 的固体颗粒堵塞。 ( 2 ) 筛板塔 筛板塔是结构最为简单的塔盘之一。根据资料介绍早在2 0 世纪3 0 年代，在 酿造工业应用。在5 0 年代以前，筛板被认为操作弹性小，稳定差，工业上一直 没有广泛的应用。随着对筛板研究的深入，发现设计合理的筛板，其操作稳定比 设想的大。筛板由于结构简单维修万便，造价低廉，又有较大的操作范围和较高 的效率，因此，到目前为止仍在生产上广泛应用。 ( 3 ) 浮阀塔 浮阀塔是2 0 世纪5 0 年代前后开发和应用的，并在石油、化工等工业部门 代替了传统使用的泡罩塔，成为当今应用最广泛的塔型之一，并因具有优异的综 合性能，在设计和选用塔型时常是被首选的板式塔。 其工作原理是浮阀塔塔盘上开有一定形状的阀孔，孔中安装了可在适当范围 内上下浮动的阀片，因而可适应较大的气相负荷的变化。阀片的形状有圆形、矩 北京工业= = 学- t 学硕士学位论文 形等。 实践证明，浮阀塔具有以下优点： ( 1 ) 生产能力大，比泡罩塔提高2 0 - 4 0 ( 2 ) 操作弹性大，在较宽的气相负荷范围内，塔盘效率变化较小，其操作 弹性较筛板塔有较大的改善： ( 3 ) 塔盘效率较高，因为它的气液接触状态较好，且气体沿水平方向吹人液层， 雾沫夹带较小： 2 3 0 0 为完全的湍流流动，流动介质在流动中形成的流动层与 流动层之间存在流动的窜动和能量的交换，流动阻力和损失除了流体的粘性， 还存在流团之间的碰撞和涡动造成的散失。 其次，按流体的相组成来划分，可以分成单相流、二相流、三相流和多组 份流动等。按介质的特性可以分成牛顿流体和非牛顿流体等。 因此，模型按照雷诺数大小可以分为层流模型和湍流模型，根据流动状态 可以分为单相流、二相流、三相流和多组份流动等流动模型。据此分类基本可 以确立本文中各个模拟中可以采用的计算模型。 2 4 湍流模型的基本概念 f l u e n t 中的湍流模型主要有： ( 1 ) s p a l a r t - a l l m a r a s 模型 ( 2 ) k - e 模型 标准h 模型 r n g 后啦模型 一带旋流修正加模型 、( 3 ) k - t o 模型 一标准肛模型 压力修正k - t o 模型 雷诺兹压力模型 大漩涡模拟模型 实际中，没有一个湍流模型可以对所有的问题都通用。因此，选择模型时 主要考虑以下凡点：流体是否可压缩，建立特殊河题的可行性，对精度的要求， 计算机的运算能力和计算时间限制等。为此在本文进行c f d 仿真过程中，选择 了f l u e n t 软件中标准k - e 模型。 标准k - e 模型介绍： t 程上应用最广泛的是k - e 双方程模型，它属于有效粘度模型。由j o n e s 和 l a u n d e r 提出的两方程模型的基本表达式为； ，：p c 。 ( 2 7 ) 其中胁是湍动粘度，k 是湍动能，8 是湍动能耗散率。其基本表达式为； 湍动能输运方程： 掣+ 掣= 毒 ( + 箦 考 + q + q 一伊一匕 c z _ s ， 湍动能耗散率输运方程： 挈+ 掣= 毒刳针c - ，譬c q 蚝咿咖譬( 2 - 9 ) 其中，晚是由于平均速度引起的湍动能后的产生项， q = p ( 嚣+ 等) 考； c z 圳， 岛是由于浮力引起的湍动能k 的产生项。对于不可压流体，g b = 0 ，对于可 压流体， 色- 尸款瓦i x , 瓦o t ( 2 1 1 ) 其中，n 是p r a n d t l 数，为o 8 5 ，蚤是重力加速度在f 方向的分量，声是热 膨胀系数，定义为； 肛丢等 浯 北京工业大学工学硕士学位论文 代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体，k = 0 ，对于可压流 体， 肘是马赫数， a 是声速， y m = 2 d m ： m | ：瓣 口= 万丽 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) c l 。，o 。为经验常数，o 。= 1 4 4 ，c k = 1 9 2 ，g = 0 0 9 ，以= 1 0 , a e = 1 3 ；以。 以分别是与湍动能k 和耗散率对应得p r a n d t 数，取o 8 5 。方程中的各参数可 使用l a u n d e r 和s p a l d i n g 的推荐值”7 1 。 简单的说，标准k 8 湍流模型采用了以下几种基本处理： 1 用湍动能k 反映了特征速度； 2 用湍动能耗散率反映了特征长度尺度； 3 引进了肛= 以j 2 6 的关系； 正因为如此，它具有其他模型所没有的优点。 首先，它通过求解偏微分方程考虑湍流物理量的输运方程，即通过了求解 偏微分方程确定脉动特征速度与平均速度梯度的关系，而不是直接将两者联系 起来。 其次，其特征长度不是由经验确定，而是以耗散尺度作为特征长度，并由 求解相应的偏微分方程得到。由于脉动特征速度和特征长度是通过解相应的偏 微分方程得到，因而它在一定程度上考虑了流动场中各点的湍能传递和流动的 历史作用。计算结果表明，它能比较好的用于某些复杂的流动，例如环流、渠 道流、边壁射流和自由射流【1 9 , 2 0 。近几年，国内有人还模拟了三维空间的湍流 旋流、气体燃烧射流等复杂的流动行为1 2 。 2 5c f d 模拟软件介绍 为了完成c f d 计算。过去多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复 杂性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性， 而c f d 本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于被制成通用的商 用软件。自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s ，c f a ，s t a r - c d ，f i d i p f l u e n t 第2 章流动仿真的理论基础 等多个商用c f d 软件。圈 p h o e n i c s 是世界上第一套由英国帝国学院开发的计算流体动力学与传热 学的商用软件，它是p a r a b o l i ch y p e r b o l i cd re l l i p t i cn u m e r i c a li n t e g r a t i o nc o d e s e x i e r 的缩写，由c f d 的著名学者d b s p a l d i n g 和s v p a t a n k a r 等提出，第一 个正式版本于1 9 8 1 年开发完成。目前，p h o e n i c s 主要由c o n c e n t r a t i o nh e a ta n d m o m e n t u ml i m i t e d ( c h a m ) 公司开发。 c f x 是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的商业c f d 软件，由英国a e a t e c h n o l o g y 公司开发。2 0 0 3 年，c f x 被a n s y s 公司收购。目前，c f x 在航空 航天、旋转机械、能源，石油化工、机械制造、汽车、生物技术，水处理、火 灾安全、冶金、环保等领域，有6 0 0 0 多个全球用户。和大多数c f d 软件不同 的是，c f x 除了可以使用有限体积法之外，还采用了基于有限元的有限体积法。 基于有限元的有限体积法保证了在有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有 限元法的数值精确性。 s t a r - c d 是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，由1 9 8 7 年在英国 成立的a d a p c o 集团公司开发。s t a r - c d 这一名称的前半段来自于 s i m u l a t i o no f t u r b u l e n tf l o wi na r b i t r a r yr e g i o n 。该软件基于有限体积法，适用 于不可压流和可压流( 包括跨音速流和超音速流的计算、热力学的计算及非牛顿 流的计算。它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块，以良好的可视化用 户界面把建模、求解及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中。 f i d a p 是由英国f l u i dd y n a m i c si n t e m a t i o n a l ( f d i ) 公司开发的计算流体力 学与数值传热学软件。1 9 9 6 年，f d i 被f l u e n t 公司收购，这样，目前的f i d a p 软件属于f l u e n t 公司的一个c f d 软件。与其他c f d 软件不同的是，该软件 完全基于有限元方法。f i d a p 可用于求解聚合物、薄膜涂镀、生物医学、半导 体晶体生长、冶金、玻璃加工以及其他领域中出现的各种层流和湍流的问题。 它对涉及流体流动、传热、传质、离散相流动、自由表面、液固相变、流固耦 合等的问题都提供了精确而有效的解决方案。 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 推出的c f d 软件。它是继 p h d e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是 目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 北京工业大学工学硕士学位论文 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括 三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。 甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改 ( 细化粗化) 。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可读入多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于二维平面、 二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流 动分析、不可压流和可压流汁算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学 组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体藕合佟热分析、多孔介质分析 等。它的湍流模型包括缸模型、r e y n o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函 数、双层近壁模型等。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面 边界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条 件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。f l u e n t 提供的用户自 定义子程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输 运方程中的体积源顶，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标 量方程和多孔介质模型等。 f l u e n t 公司除了f l u e n t 软件外，还有一些专用的软件包，除了上面提 到的基于有限元法的c f d 软件f i d a p 外，还有专门用于粘弹性和聚合物流动 模拟的f o l y f l o w ，专门用于电子热分析的i c e p a k ，专门用于分析搅拌混合 的m i x s i m ，专门用于通风计算的a i r p a k 等f r n 。 2 6 计算流体力学的应用领域 近年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法 和图解法：过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段在计算机下实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题， 几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究 上具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海 洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包 括嘲： 第2 章流动仿真的理论基础 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 汽车流线外型对性能的影响 洪水波及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 流场仿真技术的应用十分广泛： 南京理工大学的江坤研究了带弹翼尾翼火箭导弹三维绕流与喷流干扰复杂 流场数值模拟1 ；武汉理工大学江贤军运用c f d 方法研究轿车空气动力学数值 模拟及优化【2 5 】；大连理工大学的靳永欣研究了集成电路芯片封装的热结构数值 模拟分析及优化设计闭；大连理工大学的马贵阳则研究了内燃机缸内湍流流动 的数值模拟2 刀；南京理工大学的梅启元研究了空调房间气流组织的数值计算与 模拟【2 8 】；我校的环能学院的杨桂春则对卫星密封舱内流动的地面模拟实验及数 值计算进行了研究【2 9 】。 近年来，c f 0 方法在人体微血管中流动的研究正在起步并得到一定的成果， 这对发现心血管疾病机理和研究治疗方案有深远的意义3 0 1 。 2 7c f d 方法在化工领域的应用 c f d 软件在化工行业中有着广泛的应用，如流体输送，混合，分离，传质， 传热，工业炉，流态化，水处理，安全，材料处理等过程的模拟，对流化床、 阀门、过滤器、蒸馏器设备、分离器、沉积设备、反应器、聚合装置、干燥器、 泄露装置、焚化设备、浇注器、搅拌槽等各种设备装置的复杂三维流场、受力 情况、颗粒密度等迸行数值模拟。c f d 可以对这类设备中的流动结构和局部效 应进行深层次的分析，从而提高设备的性能，增加可靠性，并为产品的设计提 北京工业丈学【学硕士学位论文 i 皇舅| 皇! | 舅皇量置e 置曾量皇曼曼s 皇曼孽蔓曼曼詈曼量皇曼曼舅! ! ! 詈舅暑墨皇量墨e 蔓舅| 皇曼曼鼍簟墨皇_ 供强有力的依据。 化工过程中流体研究一直是化学工程中的重要内容。化工中计算流体力学 方法的引用开始于七十年代末期，早期限于单相流的模拟，现在已经能够对复 杂的过程体系进行描述和模拟计算，天津大学袁希刚教授已经将其用于精馏塔 盘上多相流的模拟【3 “3 2 1 ，还有入在进行流化床的模拟f 3 3 1 。原则上计算流体力学 适用于化工过程的每一个领域，如流体流动现象及传热、反应工程、分离工程、 燃烧过程等【蚓。在化工过程的研究和工程的优化设计中，计算流体力学方法已 逐渐作为一种新手段而日益受到重视并得以广泛的应用和发展【3 5 j 。 第3 章塔盘三维拟单相流动的模拟 第3 章塔盘三维拟单相流动的模拟 在石化工业中，磨损腐蚀是最重要的设备破坏因素之一闯。z e i s e l 和d u r s t 以及n e s i c 和p o s f l e t h w a i t e 等人f 聊1 曾经利用计算流体力学的方法研究流体力学 对流动腐蚀的影响，国内雍兴跃等人【3 8 】也利用计算漉体力学方法建立了不同主控 因素下的流动腐蚀动力学模型，所以利用计算流体力学的方法研究塔内流场的流 动规律和磨损腐蚀之间的关系，从而寻找避免这类破坏的途径是十分重要的。文 中乖j 用计算流体力学的方法对一种经典浮阕塔盘上方的流场进行模拟，把塔盘土 的气液两相流动简化为拟单相( 拟液相) ，且考虑气液相问的耦合作用，来研究 流场对磨损腐蚀的影响。 本章首先从物理模型和数学模型相对简单的三维拟单相流模型开始模拟，即 把塔盘上气、液两相流动简化为单相( 液相) 流动来处理。采用与拟单相流匹配 的k - s 湍流模型来封闭方程组；在考虑气液相间耦合作用时，采用经典的相间 曳力系数；在动量方程中加入了上升气泡阻力项；在湍动能盂和湍流动能耗散 率r 的输运方程中增加湍动能生成项，并采用了文献1 3 9 , 的关联式。 用计算流体力学软件f l u e n t 对拟单相流模型进行求解，最后分析讨论影 响塔盘流场分布的褶关因素。 3 1 物理模型 模拟对象是实际工况条件下普通浮阀塔盘上的拟液相流场。适当简化塔盘结 构，由于存在对称性，取塔盘上方流场的一半区域作为计算区域，塔盘的半径僻) 为1 2 5 m ，堰长( 功为1 5 m 。流程，为2 m 。入口高度( h i ) 0 0 17 m ，堰高1 ) 为0 0 5 m ， 清液层高度o ) 为o 0 6 7 m 。 北京工业大学工学硕：上学位论文 物理模型结构如下图3 - 1 所示： 3 2 数学模型 3 2 1 连续方程 图3 - 1 塔盘物理模型 f i 孓3 - 1t h ep h y s i c s m o d e lo f t h ep l a t e 罢+ 宴+ i o w ：0 ( 3 - 1 ) 劫西七 7 式中，“矿为液相局部速度，单位为m s ；而月z 为坐标变量。 3 2 2 动量守恒方程 由于气液两相相间作用很复杂，在塔盘上，气液两相间有各种力的相互作用 如曳力，并且气泡的存在还将加剧液相的湍动，所以文中忽略气泡与气泡的相互 作用、气泡的并聚与分裂，只考虑气泡与液相之问的摩擦力。曳力对塔盘上气液 的影响体现在塔盘上气液相间阻力项是由k r i s h n a 提出的膨【3 孙。 对于塔盘上的气液混和流，气泡是沿z 轴方向从下向上鼓入液相中，气相与 水平流动的液相碰撞。在x y 平面内，气相将会在液相流动的方向获得一个动量， 而液相受气相的阻碍作用，但在垂直塔盘方向，上升气泡对液相流动有曳带作用， 因此在液相的动量方程中应分别添加气液相问力以计及气相与液相的相互作用 尬。膨。短，。 “罢+ v 考+ w 老= 一丢- 罢v _ + 昙也+ 杀c k + 昙c 屹参一。 c 3 一z ， “否+ v 瓦+ ”夏2 一；瓦+ 面也矧+ 万k 矽+ 瓦【屹i 卜肘c m u _ “ “塞+ v 詈+ w 耋= 一吉罢+ 昙c 心菪+ 昙t 匕争+ 量c _ 笔卜 吒， c s s ， “瓦+ v 石+ w 云5 一石否+ 夏也+ 万匕万+ 云峨云) _ 朋“ 瞄- “芸+ v 雾+ w 暑= 一丢篆+ 昙c k 警+ 品c 匕考，+ 昙c 心参十肘。c s 埘“面+ v 石+ w 瓦一石否+ 瓦峨犁+ 面石+ 瓦峨瓦j + 朋“ u 1 其中 k = c y ，。+ 形 式中，尸为压力，单位为p a ；膨。、膨一膨，为鼠，、z 方向气液相间作用力 项，单位为n ；k 为涡流扩散系数，单位为p a s ；e 为模型经验常数；七为湍 流脉动动能，单位为j ；s 为湍流耗散率，常数；掣为流体粘度，单位为p a s ； p 为流体密度，单位为k g m 3 。 相互作用力项【3 9 】； 屹。2 导钏一吣i ( 一) ( 3 - 0 ) 其中彳i g = 6 r g 慨 ( 3 7 ) 式中，u i ，o 和u 分别为气相和液相在工、y 、z 这3 个方向的速度矢量，单位为 m s ；c b 为曳力系数，取0 4 4 1 4 0 1 ；4 l g 为相间比表面积；如为气泡直径，单位 为m ；，g 为气含率常数，并采用b e n n e t t 经验式进行计算【3 9 】： 纠一时1 2 龇j - 彘) n 9 l 】 ( 3 8 ) 式中，p g 和以分别为气相和液相的密度，单位为k g m 3 ：蜥为气相表观速度，单 位为m s 。 在拟液相模型中，局部气相速度未知，因此在曳力计算式中，相间速度差也 未知。作为近似将式( 3 - 0 ) 中最后两项与液相速度以及气相表观速度关联，假设 可以关联为： f u ，g u 。工f ( u ；矗一u ；，。) = ，细。u ，( 3 9 ) 则式( 6 ) 可写为： m l - - 0 3 3 丢见叱0 - 1 0 ) m l 一。n 3 3 丢f t 屹( 3 - i i ) 峨。= o 3 3 z r c 允毪毪( 3 - 1 2 ) 盯， 式中，毗、毗、耽为液相的局部速度，单位为m s ；为气相表观速度，口的经验 取值为o 1 3 3 8 1 。 3 2 3 湍流封闭方程组 稿流封闭方程组采用标准豇喝方程组： “差+ v 考+ w 警= 昙( 尝参+ ai 矽a k + 硪oi v , o k + g r f ( 3 - l s ) “瓦8 k + v 咖o k + w 喜2 _ t o i v , 影a k + 昙喙争+ 硪oi r , 争o k + ( c g g 力妻( 3 - 1 4 ) 其中湍流动能生成相： g r = g r t + g r z ( 3 1 s ) 其中 咏2 咔 哮睁+ 争，+ 售孛+ 售孛+ 售孛+ 售旁 g 刀是气泡诱导湍动能生成项f 4 j 】： l p f 曲+ 4 0 以、 。 g r 2 = 0 0 0 3 3 _ 产 ( 3 一1 7 ) p ，l 7 式中，眈为液相的表面张力，单位为n ：h 为清液层高度，单位为m 。 湍流模型中使用的部分常数如下：q 尸：o 0 9 ，c 声1 4 4 ，c 声1 9 2 ，口f 1 0 ， 铲1 3 【朋。 第3 章塔盘三维拟单相流动的模拟 m 3 3 壁面切应力计算方程 壁面切应力可以由下面的关系式计算得出： 旦：h e ( 坐与( 3 - 1 8 ) u t k 牡 式中，口是壁面切应力，甜是平行于壁面的速度，蜥是切速度，y 是离壁的距离， 是v o nk a r m a n 常量e - - - - 9 7 9 3 3 8 1 。 3 4 边界条件 = 告 = 0 k = 0 0 0 3 u 2 ，删舶慨) 厶表示液流强度，k 为进口面积，下标i n 表示进口。 ( 2 ) 出口边界，取出口边界为充分发展的流动条件， 。= o = o = 0 = o 在出口处，设定表压为每：p - - - o ( 3 ) 壁面条件 由于近壁处速度梯度较大，可设为壁面函数边界，假定液相相对于壁面无滑 移运动，采用n a l l a s a m y 对数律壁面函数处理方法。 北京t 业大学工学硕：t 学位论文 3 5 模拟过程及结果 图3 - 2 模型建立及求解流程图 f i g 3 - 2t h ef l o wo h a r to f t h em o d e lc o n s t r u c t i o na n ds o l v ew a y 对于图3 l 的简化模型进行网格划分，用u d f 方法分别对动量方程和湍流 封闭方程添加气液相互作用的源项，对不同液速和表观气速组合分别进行计算。 根据文献【3 5 】，湍流状态下壁面的磨损腐蚀程度和速度随着壁面切应力p 的增大 而增大，文中采用壁面切应力的大小和分布来表征壁面磨损腐蚀发生的位置和程 度。 计算中的气体为水蒸气，密度为0 5 5 4 2k g m 3 ，粘度为1 3 4 x1 0 - 5 1 p a 液体 参数采用实际参数，密度：9 9 0 6 3 9 k g m 3 ；热容1 0 7 2 k j k g k ，粘度：0 6 3 6p a s 液体流速见表1 。 表3 - 1 计算采用的1 3 种工况下的流体流速( m s ) t a b l e3 - 1l i q u i ds p e e do f1 3k i n d so f c o n d i t i o n s ( m s ) 工况1 2 3 4 5 6 7891 01 11 2 1 3 气速0 40 40 40 40 40 a0 40 50 6o 70 8 0 91 0 液速为1 8 m s 且气速为0 4 m s 时距塔盘底面3 0 m m 高平面的计算结果见图 3 3 和图3 4 。可见在入口附近存在一个较大的回流区域。 第3 章塔盘三维拟单相流动的模拟 图3 3 距塔盘底面3 0 高平面的速度矢量图 f i g 3 - 3 t h ev e l o c i t yv 0 wo f 3 0 m ma b o v et h eb o t t o mo f t h ep l a t e 图3 4图3 - 3 的局部放大图 f i g 3 - 4 t h ee n l a r g e dd r a w i n go f p a r to f f i g 3 3 入口附近a 区域和出口附近b 区域附近的壁面切应力要高于其他壁面位置 的壁面切应力，入口和出口处各出现1 个峰值，最高值出现在入口处( 图3 - 5 ) 。 通过如图3 - 6 所示的应力等势云图可更清楚地看出入口和出口附近的壁面切应力 要高于中间壁面的壁面切应力，入口附近受较大壁面切应力的区域要大于出口附 近的区域，据此可以判断，这两处区域发生腐蚀和减薄的几率远高于其他部位。 北京工业大学工学硕士学位论文 乜五西正= 二= 4 0 e + 0 1 1 2 0 e + 0 1 盘1 0 0 h 0 1 r8 0 0 e + 0 0 氆 霹8 0 0 e + 0 0 嚏 攒4 0 0 _ - 0 0 2 0 0 制- 0 0 0 0 0 e + 0 0 1 0 8 - 0 6 - 04 0 200 20 40 60 81 x 轴向位置( m ) 图3 - 5 壁面切应力散点图 f i g 3 - 5t h ep o i n td i a g r a mo f w a l ls h e a rs 扛e 裙 图3 - 6 壁面切应力等势云图0 s t ) f i g 3 - 6e q i p o t e m i a lf i g u r eo f w a l ls h e a r 附s 0 町 对实际腐蚀所在的a 区域和b 区域各种工况的壁面切应力进行分段拟合， 取每个工况下壁面切应力的最大值和平均值，得到的曲线见图3 7 。 第3 章塔盘三维拟单相流动的模拟 _ r o l l 凸一 、 r 毯 尽 旧 谴l l 气体表观速度m s 图3 - 7 不同表观气速下a 、b 区域的壁面切应力 f i g 3 - 7 t h e w a l ls h e e rs t r e s s o f z o n e a a n d b u n d e r d i f f e r e n ta p p a r e n t g a s v e l o c i t y 从图3 7 可以看出，a 区域壁面切应力的最大值和平均值基本上都随表观气 速的增加而减小，但是在b 区域，壁面切应力的最大值和平均值与表观气速没 有明显的关系。而随着液速的增加，a 区域和b 区域壁面切应力的最大值和平 均值基本上都增大，见图3 8 。 在保持流量不变的情况下，增大入口高度可以降低入口液速，文中分别对入 i 母1 2 安” 贰 菩： 到： ； 液体流速( m s ) 图3 - 8 不同液体流速下的a 、b 区域的壁面切应力 f i g 3 - 8 t h e w a l ls h e e rs t r e s s o f z o n e a a n d b u n d e r d i f f e r e n t a p p a r e n t l i q u i d v e l o c i t y 口高度为0 0 1 7 m 、0 0 1 9 m 、0 0 2 1 m 、0 0 2 3 m 和0 0 2 5 m 的情况进行模拟，并且 对a 区域和b 区域的壁面切应力进行比较，得到的结果见图3 - 9 。从图中可以看 出，随着入口高度的加大，壁面切应力减小，腐蚀将会减轻：通过升高入口高度 来降低液速的方法能够很好地降低壁面切虚力，从而减轻设备腐蚀和破坏。 北京工业大学工学硕：e 学位论文 0 , 0 ) 6o 州70 0 1 8 o , o ：g0 0 2 00 0 2 10 , 0 2 2 0 , 0 q 30 0 2 ；0 0 2 5o o 入口高度m 图3 - 9 不同入口高度下的a 、b 区域的壁面切应力 f i g 3 - 7 t h e w a us h e e rs 虹岱s o f z o n e a 锄d b r i d e r d i f f e r e n t i n l e t h 确基l t 3 6 结论 从上文的分析中可以得出以下结论： ( 1 ) 壁面切应力可以用来评价流体对塔壁产生磨损腐蚀导致局部减薄的行为， 且对塔壁腐蚀区域进行的模拟结果与实际相吻合。 ( 2 ) 随着入口液速的增加，入口附近的壁面切应力随之增大，磨损腐蚀因此会 加重。而随着气体表观速度的增大，入口附近壁面切应力减小，磨损腐蚀却会随 之减轻。 ( 3 ) 如果在保持入口流量不变的前提下，通过增大入口面积来降低液速，可以 减轻因磨损腐蚀而导致的设备腐蚀和破坏。 第4 章下塔气流模拟 第4 章下塔气流模拟 c - 2 0 4 下塔是由水蒸气和环氧乙烷进行水合反应生成7 , - - 醇的容器，其特点 是塔内水蒸气通过双列式气体分布器由塔底进入，自下而上通过各层浮阀塔，与 液态溶液发生反应的过程。 由于塔内的物料流动时，气相流场的变化较液相较为剧烈，对塔壁的影响较 大。而且要研究气相对塔壁腐蚀的作用，就必须对全塔的气流分布状况作模拟， 找出能改善气流分布状况的办法。而且其计算结果能为下一章研究塔盘上方气液 混合物中的气含率的分布状况做准备，所以对全塔气流进行模拟是十分重要的。 4 1 物理模型 本章对下塔进行气流模拟的模型是参照c 2 0 4 塔的实际设计图纸，适当简化 了对本计算影响很小塔壁周围的各类孔，按照实际尺寸，采用c a di 具完成， 分布器中心平面距参考平面1 7 4 5 m ；下塔总高5 3 4 0 m ，内径2 5 0 m ，第一层塔 盘高2 4 9 0 m ，塔盘间距0 4 0 0 m ，见图4 - 1 。 a ) 图4 1下塔物理模型图a ) 及其局部放大图b ) f i g 4 ls k e t c ho f t h eb e l o wt o w e ra ) a n dt h ee n l a r g e dd r a w i n gb ) 北京t 业大学工学硕十学位论文 4 2 数学模型 4 2 1 连续方程 本章采用的连续方程与上章一样： 宴+ 宴十掣：o ( 4 一1 ) 缸却瑟 式中，“、v 、w 为液相局部速度，单位为m s ；工，y ，z 为坐标变量。 4 2 2 动量守恒方程 ”老+ v 考+ w 妻= 一吉篆+ 去c 屹等+ 专心争+ 丢c 咋老， c a 哟 ”瓦+ v 万+ w 云2