（化学工程专业论文）大型填料塔气液分布器的流体力学性能研究.pdf

中文摘要 鉴于填料塔的放大效应，利用目前的实验手段对大尺寸的塔内件进行流体力 学性能测试，难度很大。计算流体力学( c f d ) 模拟结果不受放大效应的影响， 利用c f d 来模拟大型填料塔内气体分饰器、液体分布器流体速度场，探讨其中 的流体流动规律，就可弥补实验的不足，为分布器的设计提供理论上的数据与支 持。本文主要工作是针对0 2 4 0 0 m m 填料塔槽式液体分御器的多点进料形式，进 行了一系列的实验研究来考察其对液面波动、主槽分布均匀性能的影响，并与 c f d 模拟结果进行对比及验证；对中6 4 0 0 m m 双切向环流气体分布器的进气分布 流场进行了c f d 模拟，并就不同结构对其进行模拟结果的对比与分析。 槽式液体分布器进料点数的增加，在一定程度上可以改善分布器的布液性 能，如减少液体的卷吸作用，维持液面稳定。用流体体积两相流( v o f ) 模型模拟 液体分布器的进料情况比较成功。特别是对水射流在空气中的发展、液面的波动 等，与实验现象基本吻合。作者还对进料管内的水流流动，进行了单相湍流模拟， 获得了令人满意的结果；在进料管结构上改进后，计算结果表明其分布均匀性能 方面得到明显的改善。 双切向环流气体分布器进气速度初场的单相模拟，较好的揭示了气体经过分 伟器在塔内发展的规律。对进气口和内环流通道的导流改型后，模拟计算结果表 明，其湍动动能和能量耗散降低不少；通过对不同塔底结构的模拟对比研究，发 现不同塔底结构将极大地左右气体在塔内的流型和速度分布。由此可见，提高分 布器的分布性能不仅仅是其本身结构问题，而是与塔内其它构件相结合起来，统 一优化。 关键词：填料塔，槽式分布器， 双切向环流气体分布器，多点进料， 进气速度初场，计算流体力学，v o f 两相流模型 a b s t a c t a sw ea 1 1k n o w i ti sv e r yh a r dt om e a s u r et h eh v d r o d y n a m i c sp r o p e r t i e so fs o m e b i gs c a l ei n t e r n a l sp a r t si np a c k e d t o w e r b yg e n e r a le x p e r i m e n t a lt o o l s ，b e c a u s eo f t h e e f f e c to fs c a l e u p ，h o w e v e r ，b u tt h i s e f f e c tc a r ln o ta f f e c tt h er e s u l to ft h e i r c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o n a n ds ow ec a ns i m u l a t ef l u i di n i t i a l d i s t r i b u t i o nf i e l do f g a sd i s t r i b u t o ra n dl i q u i dd i s t r i b u t o ri nb i gc o l u m nb ym e a n so f c f dt o e x p l o r et h er u l eo ff l u i d f l o wf r o mi t s c o m p l e xf l o wa n dm a k eu pt h e s h o r t c o m i n go fe x p e r i m e n t i nb i gc o l u m n i nt h i sr e s e a r c h ，0 1 1 1 p r i n c i p a lw o r ki n c l u d e ii f 由。 i il f 由1 1 iiil ， 1t o l il j ， 一 一 l ii t h e ii ， lt l ， ， k e y w o r d t w i n - t a n g e n t i a la n n u l a rd e f l e c t o rg a sd i s t r i b u t o r s l o tl i q u i dd i s t r i b u t o r p a c k e dc o l u m n m u l t i - p o i n t sf e e di n l e t i n i t i a ld i s t r i b u t i o nc a p a c i t y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s v o fm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘茎或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼塞鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：年月日签字日期： 年月目 前言 绪论 7 0 年代以来，新型规整填料以及新型塔内件的不断开发，使得填料塔有了 新的突破。著名国际精馏专家、英国阿斯顿大学的k e p o r t e r 教授曾经指出：“近 l 五年来，在精馏和吸收领域最突出的变化是新型填料、特别是规整填料在大直 径塔中开始广泛应用，这标志着塔填料、塔内件及填料塔的综合技术进入一个新 的阶段。f 1 】 填料在填料塔气液两相均匀分布过程中起着关键的作用。由于填料本身的自 分布性能有限，所以气液两相的初始分布就显得尤为重要了。至日前为止，开发 出来的各种气体、液体分布器，其最终目的就是要保证气液两相在进入填料层前 能均匀分布。然而，在填料塔日趋大型化过程中，其放大问题仍无法圆满锯决， 很大程度上，都足凭经验来开发设计塔内件。因此，在理论上描述填料塔中的流 体在塔内的流体流动已成为研究开发的当务之急。 对于液体分布器，人们已经开发出来很多种各具特色、性能优越的分布器， 如槽式、盘式，喷淋式液体分布器，在分布器的关键技术的研究上，国内专家学 者也作出了很大的努力，取得了不错的成果。如浙江工学院的董宜仁就在分布器 的孔口流出以及孔口流量系数的测定方面作了详尽的研究f2 1 。但是，对于大型填 料塔的液体进料研究还不是很多。这类分布器以槽式分布器为主要代表，尤其是 一级主槽的预分布能力更为重要。目前，很多研究与改进都集中在分布器本身的 局部结构，如进行窄槽处理、多级缓冲、设置导液板改善流动等，而将进料管与 主槽相结合起来考察的研究并不多见。从许多实际工况的考察来看，许多分布不 良正是因为预分布进料管一开始就造成明显的液面梯度，使得往下的液体分布难 以达到理想要求。对进料管液体速度的限定，人们大都是从国外的早期研究资料 以及长期的经验来获得，没有一个理论与实践相结合的数据进行指导。因此，研 究进料管的进料形式，液体在进料时流动规律，对于填补国内在这方面的研究空 白、指导大型液体分布器的优化设计、提高喷淋均匀度以及优化全塔操作有着重 要的作用。 随着大孔隙率、低压降、新型高效填料的开发及大直径、浅床层、低液气比 的填料塔的发展，特别是高真空精馏过程，气体分布问题也日益引起人们的重视。 气相的偏流、上升气流液滴的过多夹带、入口阻力太大等都会大大降低填料塔的 绪论 分离效率，降低产品质量。解决这些问题的核心就是改善进气口的结构，改进气 体分布器的性能。因此，研究填料塔进料气体分布器的结构和理论是很有必要的。 这对炼油及化工工、f p 中大型填科塔的台理设计和提高产品质量有着重要的理论 和实践意义。从理论上描述气体分布及分布器尺寸对气体分布的影响，为优化填 料塔设计及拓宽填料应用领域奠定基础。 本文研究主要内容 为了获得液体进料形式对槽式分布器分布性能影响程度的规律，本文将从实 验和理论计算两方面着手。一方面，在塔径为中2 4 0 0 m m 的槽式液体分布器中考 察多点进料对液面的影响，以及分布管内液体的流动，从中找出规律。另一方面， 采用专业计算软件对液体的流动与冲击进行流体力学模拟，相互印证。 对于气体分布器的研究，本文对各种分布器的比较后，决定采用塔径 6 4 0 0 m m 的双切向环流气体分布器，对其进气流动，分布性能进行计算流体力 学的流场模拟，在对其进行结构改进的模拟对比。 ( 1 ) 实验研究 采用s g 一2 0 0 0 水工系统对液体分布器内的液面进行标定测量，改变不同进 料形式，考察多点冲击对分布器性能的影响，找出进料规律。 ( 2 ) 网格生成 利用专业网格生成软件对模拟区域采用非结构化网格生成技术，以此提高计 算区域网格质量，为下一步的数值计算做好准备。 ( 3 ) 计算流体力学模拟计算 以n - s 方程为基础，建立相应数学模拟，选用标准k s 湍流模型封闭方程， 采用v o f 多相流模型对一级稽液面波动进行追踪模拟 利用商业c f d 计算软件 来求解方程、完成计算，最后用实验结果与模拟数据进行对比，验证模型的合理 可信性。 2 塑二里奎整堡望 一 第一章文献综述 1 1 填料塔气体及液体两种分布器的研究与应用 填料塔气体、液体分布器对填料塔的正常操作有着举足轻重的作用，前人已 经在气液两相的初始分布对分离效率影响方面作了大量而详实的研究。 f r l 0 3 通过大量实验发现，液体不良初始分布的改善能够大大提高塔的分离 效率。另一方面，填料塔中理论级数越多，则液体分布器的初始分布质量对填料 层效率的影响也越大。可以说，液体在填料塔流动分布是分布器的初始分布对塔 效率影响的直接体现者。荷兰d e f t 大学的h o e k “3 指出，填料中的液体流动可能 形成两种不良分布，即大尺度不良分布与小尺度不良分布。大尺度不良分布是由 于初始分布不均匀、壁效应、塔体倾斜、填料塔安装不均匀等外部冈素造成的。 它可使整个填料塔效率严重下降。小尺度不良分布则决定与填料的类型及尺寸， 及填料固有特性一自然流分布所形成的不良分布。a l b r i g h t 晤1 通过计算模拟证 明：每一种填料都有一种自然流分布，理想的初始分布也将衰变成自然流分布。 只有当塔填料层的液体分布尽快达到自然流时，塔效率才会趋向稳定的较高值。 液体分布器主要影响塔的大尺度分布不良，所以我们可以看到，由它产生的初始 分布就是液体快速达到自然流一个重要前提。 填料层中的气体流动复杂，人们对它的研究还是比较早的。7 0 年代 ka5az01 1 1 6 j 曾对击4 5 x 2 0 r a m 填料吸收塔采用侧向进气结构。结论指出，以往 认为填料阻力会迅速均化气流分布，气流的初始分布对气液运动影响不大的观点 是不符合实际的，同时也告诉我们，气流的初始分布对填料塔的气体运动特性和 效率有直接影响。e i d e r ”在填料为拉西环的由5 0 0 m a 的塔内测试同一截面气速 分布，发现不同点处的气速差别可以达到3 倍之多。这必然会引起液泛，破坏全 塔正常操作。k o u r i 馋3 通过在由8 0 0 m 的塔中做实验研究气液分布器对填料层内的 气液分布的影响，发现气流初始分布不均，塔内的壁流和沟流现象严重，导致液 流分布变差，影响气液传质与分离。 种种研究表明，良好的气液初始分布，无论是对散堆填料还是规整填料， 都能大大提高塔的分离效率。最近十几年来，高效填料的研发以及相关塔内件的 大型化，极大的推动了填料塔技术研究的进展，对于填料塔的设计，现有的填料 性能关联式已能较好的用来确定填料塔的直径、高度及压力降。所以，填料是否 发挥其效率，则主要取决于气液在填料中的分布。液体分布器和进气结构的设计 成为了开发人型填料塔的核心问题。 衡量气液两种分布器性能的最主要参数就是气液初始分布质量，下面我们 墨二兰奎坚簦堕一一 将分别介绍两种分布器的情况。 l 。1 1 液体分布器 1 1 1 1 液体分布器简介 ( 1 ) 液体分布器性能的基本要求 性能优越的液体分布器主要看以下几点： 操作的可行性；液体分布均匀；合适的操作弹性：足够的气液通道。 ( 2 ) 丰要类型与特点 液体分布器种类繁多，结构各异。常用的液体分布器大体上可以分为三种类 型：第一类为喷淋式液体分布器；第二类为盘式液体分布器；第三类为槽式液体 分布器。见图1 1 ，其他分布器一般都是在前三种分布器基础卜进行加工，组合， 改造。如虹吸式、槽盘式液体分布器、c p 型液体分布器以及双层排管式液体分 布器等9 1 ”。 表1 - 1 常见液体分布器主要性能比较 t a b l e l 一1c o m p a r i s o no f g e n e r a ll i q u i dd i s t r i b u t o r s m a j o rc a p a c i i y 名称压力喷淋式重力喷林式槽式分布器盘式分布器 塔径，m o 4 5 任意 o 6 1 2 对气流阻力小大小大 不平衡度的影响 小无大大 液面波动倾向无无有有 易于引起雾沫夹带是是否否 操作弹性 1 ：3l ：21 ：41 ：4 分布质量 出 低一中 由 高 结构简单、占占空间小、分适于高液最和易占空间小、分布 空间小、分布布均匀、易堵被堵塞场合均匀、侧线采出 特点受泵影响大、赛、综合性能高弹性、但易漏 清洁纫科不如重力型液 喷淋式液体分布器为压力型分布器，液体在一定压力下进入一个或若干个喷 嘴。由于喷嘴设计成广角锥形，使喷出的液体成圆形均匀分布在填料表面上，选 择这种分布器时，影响填料传质效率的因素较多，如输送液体的压力、物性、喷 嘴的形式和尺寸、喷嘴离填料层的高度等。这种分布器一般只适合于塔径小，喷 淋均匀性要求不高的场合。 盘式液体分布器适合于液体流量变化较大的场合，其操作弹性可以达到3 或 4 兰二塞茎鳖堡整一 者更高。通过增加开孔数目和孔径可以获得更高的操作弹性a 但盘式分布器的共 同缺点是：气体流通面积一般较其他类型的分布器为小，气体通过分布器的压降 较大，对水平度的要求较高。 盘式液体分布器 圈1 - 1 几种常见液体分布器 f i g 1 - 1g e n e r a ld i s t r i b u t o r s 槽式液体分布器为重力型分布器，在大中型填料塔中的应用十分普遍。它适 用于液体流量范围较宽的场合，其操作弹性可以达到4 或者更高。这种分布器的 气相流通面积比盘式液体分布器大，因此可降低气流通过分布器的压降。侧壁开 孔的槽式分布器还具有抗结垢能力，使固体杂质沉积在槽的底部。只是这种分布 器对水平偏差十分敏感，因此安装时要保证水平度。 1 1 1 2 槽式液体分布器进液预分布 本文着重考察槽式分布器的进料情况，所以，下面就槽式分布器以及槽式分 布器的进料详细介绍一下。 5 蠹隅糕徽熏黧珊黼剽 第一章文献综述 ( 1 ) 槽式液体分布器 槽式分布器是由进料管、一级分流槽和多条相互保持一定间距、平行的布置 于塔内的二级槽所组成。槽间的空隙处为气流通道，气体自下而上流动，液体通 过进料管经开在一级槽底面( 或侧面) 的通道，根据一定比例从合适位置加入二 级槽，而后经位于同一高度的底孔或壁7 l 穿流而下，分布在填料顶层，典型轮廓 图见图1 2 。 槽式液体分布器是一种能适合于大型、超大型填料塔的分布器。它操作十分 可靠，很少出现排液口被堵塞的现象，故分布质量稳定；它不仅弹性比大，而且 流量范围也大。通用型的槽式分布器喷淋密度可达到1 2 0 m 2 m 2 h ：它气流通道大， 最大可占5 5 塔截面，且占空间小，易支承，价格适中。但由于它是重力驱动 型，所以它对槽的支承水平度、液面波动和水力梯度的要求非常高，在设计、制 造、安装中尤其得给以特别关注 1 3 o 在改进结构，旨在增加喷淋点的过程中， 人们就开发出了很多性能优越的各种槽式分布器，如溢流孔流相结合的堰槽式分 布器，还有g l i t s e h 公司推出的窄槽式分布器以及带有导液管、升气管的一些复 合型槽式液体分布器。 5 漉象 悖f 删 囤l - 2 典翌槽式液体分布器 f i g 1 - 2r e p r e s e n t a t i v es l o tl i q u i dd i s t r i b u t o r ( 2 ) 分布器的进料 在进料预分布管的设计中，通常人们认为，液体出口流速和出口与一级槽液 面的间距大小都很重要，流速或间距太大意味着流入一级槽液体的机械能过大， 在槽中容易激起波浪，形成旋涡，卷入气流，破坏分流均匀效果。n o r t o n 1 4 1 公司 提出流速绝不能大于3 m s ，至于间距大小要通过结构设计加以控制，尽可能缩 小：而且，进料管设计必须合理，设置足够多的分流管，并恰当的安排液体出口 落点，以平衡、抑制、以致消除其对分流带来的不利影响，防止囡进料而产生过 6 第一章文献综述 大的横向速度和液面梯度，引起液面波动并导致液休撞击一级槽端面，甚至使液 体溢出一级槽。洛点应避开槽底面上的排液孔，当一级槽的侧面开有分流孔时， 还要防止其对侧向流动产生干扰，落点位置必须准确，尤其要防止从进料管中流 出的液体直接流入填料层，所以常在主管的下侧接上一段导管。进料管和一级槽 的轴线应保持在同一垂直平面上。 一沲体进料 分流盘 一渣悻进料 ( n ) t b j 图l - 3 两种液体预分布形式 f i g 1 - $ t w ol i q u i df e e df o r m 图1 3 是两种典型的进料方式。图a 和图b 的比较中，明显a 就比b 的进 料分布要好，后者的分布在工程上是不正确的。图a 的这种多孔分流在塔器的设 计中经常遇见，一般槽式液体分布器在液体进入一级槽之前大都经过这样的多孔 分流。k i s t e r t l 5 j 就指出在多孔管内的这种变质量流一般可以划分为以下五种流型， i 是均匀分布，i i 是主管流速太大，穿孔流速逐孔增大，是流速逐孔增大，始 端吸入气流，是穿孔压降太小，穿孔流速逐孔减少，v 则分布均匀，但入口受 到严重的水力侵扰，结论指出，这些情况是针对同一流道不同流速造成的，所以， 当某一特定管道的流速超出一定的范围时，其均匀性就被严重破坏了。 严格的控制进料管流速使之均匀分布，在操作上难度是很大的，所以，人们 在尽可能满足分配管均匀的同时，义想出r 增设缓冲槽的方法，在进料管与一级 槽之间放置一个有一定容景的缓冲槽，让液体从缓冲槽的底孔、侧孔流出，减小 了液体冲击对一级槽液体分配的影响。缓冲槽的加设固然改善了分布器的分布质 量，但却或多或少的增加了分布器结构的复杂程度。我们看到，影响一级槽布液 性能最根本的原因还足进料管的初始分布问题。而对这个问题的关注，国内国外 似乎都不够。探讨槽式液体分布器进料预分布管的均匀问题，正是本次研究一个 重点。 暑厅i 矛一辱葡 j 第一章文献综述 v 图1 - 4 多孔管不同流动分布规律 f i g 1 - 4d i f f e r e n tf l o wd i s t r i b u t i o nl a wo f p e r f o r a t e dp i p e 1 1 2 填料塔进气结构的研究 与液体分布器一样，气体分布嚣的主要作用就是促使气体尽量均匀地进入填 料层，所以均布性能仍然是其最重要的性能参数，只不过气体的流动性比液体的 要大多了，其流动情况自然要复杂多了。此外，流动阻力和雾沫夹带小也是气体 衡量分布器性能的主要参数。 1 1 。2 。1 简单进气结构 明f 进气 水平进气 朝上进气 圈1 - 5 三类迸气结构气速流场 f i g 1 - 5v d i t yd i s t r i b u t i o no f t h r e eg a si n l e tc o n f i g u r a t i o n s 八十年代以前，t 业上常用的进气结构很简单，这主要是因为人们对气体分布重 要性认识不足，认为气流初始不均匀分布在填料层阻力作用下，会被迅速拉平。 当时比较常用的进气结构在分布原理上可以分为三类：水平迸气、朝上进气和朝 第一章文献综述 下进气，在结构上主要有六种结构形式1 6 1 ：( a ) 水平直管、( b ) 9 0 弯管、( c ) 弯管后 接扩散管、( d ) 1 3 5 弯管、( e ) 有角弯管，( d 在弯管处加有整流隔板、弯管后接有 带整流隔板的扩散板( 如图1 - 6 所示) 。图1 6 表示气流在三种进气结构中的流 型谱和速度分布。 qb c o |p 衄蜘叼衄蜘 圈1 - 6 六种进气结构 f i g 1 - 6s i xg a s i n l e tc o n f i g u r a t i o n 从图1 5 可以看出，气流从管口流出时，形成一股自由射流，由于射流表 面的湍流脉动，卷吸作用，流动截面逐渐扩大，速度减慢，在射流周围形成旋涡， 当受到塔壁和塔内件的阻挡形成各种复杂的流动分布。 进气管结构对管予出口自由射流的速度分布有很大影响，进而影响到塔内速 度分布。图1 7 表示出四种进气管的速度剖面图。由图可见弯管的速度剖面是 不对称的，当直管的长度太小时还会出现倒流，塔内形成逆时针方向的旋转流。 对于这种流场，速度场的均化是十分困难的，这样塔内速度均布就会变差。 qbcd 一俨酽 图1 7 黻剖面 f i g 1 - 7c o m p a r i s o no f s e v e r a li n l e tp i p e sv e l o c i t yp r o f i l e 1 1 2 2 进气分布器的开发与应用 为了满足新型填料和塔的大型化的气体初始分布，近十几年来，国内外许多 9 第一章文献综述 图1 - 1 0 切向号角式 f i g 1 1 0t a n g e n t i a lh o r n 1 0 图i 1 1 单切向环流式 f i g 1 1 1t a n g e n t i a la n n u l a rd e f l e c t o r 第一章文献综述 学者致力于这方面的研究，开发出来了多种形式，功能齐全的气体分布器。目前， 常用的进气分布器有以下几种类型1 7 1 ：多孔直管式、直管挡板式、切向号角式、 单切向环流式、双列叶片式、双切向环流式以及轴径向式。 i l i i 图l - 1 2 双列叶片式 f i g 1 - 1 2t a p e r e dc h a n n e l 圈i - 1 3 双切向环流式 f i g 1 1 3t w i n - t a n g e n t i a la n n u l a r d e f l e c t o r 多孔赢管式( 见图1 - 8 ) 是目前炼油减压塔中最常用的一种型式。进气管 径向入塔延伸至塔中央，管口向下，气流由管上开孔向下喷再折而向上。此时塔 壁处气速较高，管上方有一旋涡，中心处气速向下，延管长各孔气速依次增大。 气液两相进料带液速度分布与气速分布相似。因此，气速集中于管端喷出，形成 大量雾沫；但因气液分布不均，局部孔速较高，阻力很大。 切向号角式( 图1 1 0 ) 也是较为常用的结构形式，其进口管切向进入塔内， 管口有一向下倾斜的号角型导流罩，气液混合物以高速切向进入渐扩的喇叭管， 延塔壁向下旋转至塔底再折而向上。塔中央有一向下的气旋。由于离心力的作用， 雾沫夹带几乎为零，阻力很小。但喇叭管的倾角要适当，否则可使波面上移至进 气口，使全塔发生震动。切向环流式由内筒和塔壁形成环形通道，上面封面，内 设弧形导流板，结构示意图1 1 1 。高速气液流切向进入内筒和塔壁组成的环形 通道，被弧形叶片导流向下，气流又受塔底反射折而向卜并与液体分离。中心卅 气速较高，液体受离心力作用延塔壁流下，液沫夹带几乎为零，分布器阻力较小， 图1 1 4 轴径向式( 轴对称式) f i g 1 - 1 4 a x i sr a d i a l 而入口管中高速两相流底阻力较大。 双列叶片式( 图1 1 2 ) 是瑞士s u l e r 公司的产品，近年来一直被国内的设 计者引用或改进。物料经向入塔，进口两侧有两列导流弧形叶片，其顶部、底部 均封闭，气流沿两列叶片左右分开，冲向塔壁后向上，造成两侧边壁气速较高， 中央部分气流朝下而有旋涡。该种结构气速分布不均，液沫夹带量少，阻力较小。 轴径向进料分布器n 扪，是一种去除了面对称分布器的缺点，比较新颖、性 能优良的气体分布器，实验证明，它是一种结构简单、实用、综合性能较好的分 布器( 见图1 1 4 ) 。尤其适合对初始分布要求较高的减压塔。塔的不足之处在 于其分布器下端占空间太大了，影响了塔的整体设计。 还有一种分布器是由美国g l i t s c h 公司研制的双切向环流式( 图1 1 3 ) ，其 结构相对双列叶片式有一定改进，物料径向入塔由导流板分成两部分，各沿内筒 进入环形通道，一次被弧形导流叶片导向塔底并折而向上，气速分布较均匀，液 洙夹带最少，阻力较小。这是一种综合性能优良的气体进料分布器。 1 1 2 3 气体分布嚣的研究与比较 m u i r n 射对3 6 种进气结构的分布性能进行测试后认为，双切向环流式分布 器性能最好，并且两个进口比一个进口的气体分布更均匀：导流板上方覆盖一圈 挡板能有效改善气体分布。潘国昌啪1 在由6 0 0 m m 的有机玻璃中研究了国内外炼 油工业塔巾常用的气体分布器，开发与改进了双切向环流式气体分布器。各种分 布器的性能比较见表1 2 。通过对比，双切向环流式分布器具有均布性能较好， 液沫夹带少与阻力小等优点。该型分布器在大型润滑油型减压塔中应用成功，但 文中并没有介绍具体结构尺寸及其对气体分布的影响。 第一章文献综述 表1 - 2 六种分布嚣性能比较 t a b l e l - 2c o m p a r i s o no f s i xg a sd i s t r i b u t o r sc a p a c i t y ii ii v 吩 2 02 01 9 70 5 21 80 3 7 e 5 31 3000 60 1 a p ，p a 2 7 4 08 4 31 04 93 01 5 0 吩布不均匀度 州丢喜( 宰卜5 ， 圈1 - 1 5 三种气体分布嚣速度比较 a 格柑分布器b 径向垂分布器c 侧向避气分布器 f i g 1 - 1 5c o m p a r i s o no f v e l o e i t yi nt h r e et y p eo f v a p o rd i s t r i b u t o r s 董谊仁口”对侧向进气分布器、径向分布器、格删分布器的流场均布性能进 行了对比( 见图1 1 5 ) ，试验结果表明侧向进口结构简单，但容易偏流，在大 型塔中难以实现气体均布性能，而且需要较大的塔底空间，阻力也相对较大。格 删分布器结构紧凑，阻力降最小，均布性能也不错，是一种良好的进口气体分布 器a 董谊仁呛扣还给出了平面均布格删的设计方法，但没有从理论上描述气流分 布情况。 国内也有人研究了反应器中气流均布性能阻3 2 4 3 得出了相关结构参数对气 ，。，郅。_孙虬旷；：。 第一章文献综述 流分布影响的一些规律。但他们通过做实验的方法，来寻求数据，没有流体理论 的解释和补充。 总而言之，为了改善进塔气体的分布状况，国内外都致力于开发性能良好的 气体初始分布器，特别是对大直径、浅床层填料塔，是好的进气结构是实现气流 均布的重要步骤。然而，大量的专利产品只能是简单零星的报道。国内的研究人 员开发气体分布器，一般都是通过与其他的分布器的对比实验来实现的。很大程 度上都是靠经验指导，没有理论依据。这样就大大制约了分布器设计的科学性、 创新性，也增加了开发研究的成本。 1 1 2 小结 鉴于以上所述，开发均布性能优良的气体液体分布器足与大直径、低压降、 浅床层填料塔的逐步优化相适应的。液体分布器的开发集中在分布器本身局部的 改善，对进料初始分布问题重视不够，特别是大塔径、重力型槽式分布器问题更 是明显。气体分布器的改良也是在实验和经验的基础上，由于气体在分布器中至 进入塔内这一过程中的流体力学的复杂性，研究一直停滞不前。 ( 1 ) ，槽式液体分布器进料型式趋于简单、进料预分布受其他因素影响太大，以致 进料不均匀： ( 2 ) 各种气体分布器性能的测试实验大都在由6 0 0 m m 以下，存在模拟放大问题； ( 3 ) 由于气流运动的多变性，人们对它的力学过程研究不够，迄今为止还没有一 个较为合理和适用的气体分布理论模型。 因此，本次研究内容就是在现有的比较适用可靠的流体力学计算软件的帮助 下，对液体分布器的进料状况进行理论上的模拟与优化，并辅以实验来验证；对 大塔径双切向环流分布器进行塔的进气初场模拟分析结果，并存此基础上给予 结构上的优化改进，最终达到进一步提高气体均匀分布性能的目的。 1 4 第一章文献综述 1 2 计算流体力学模型分析和应用 湍流是自然界普遍存在的一种流体流动状念。所以，湍流的研究是物理学乃 至全部自然科学中当今最重要的问题之一。随着电子计算机和数值计算方法的迅 速发展，人们可以通过数值计算的方法直接求解控制方程和边界条件来解决具有 强烈非线性的湍流流动现象，从而形成计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ) 这一学科分支，计算流体力学涉及计算机科学、流体力学、偏微分方 程的数值计算、计算几何、数值分析等科学。 与实验研究相比，数值计算具有花费少、速度快、信息完整、模拟能力强等 优点，特别是人量的计算流体力学软件的出现，人人减少了计算流体力学研究的 工作量，从而扩大了计算流体力学的应用范围，推动了流体力学更深入的发展。 计算流体力学还卅i 是一个很成熟的技术，在用计算流体力学对流动现象进行预测 的时候，需要对复杂的流动现象进行处理，然后用数学模型来描述它，计算的结 果既取决于计算方法，也取决于数学模型木身，如果数学模型的描述不够精确、 甚至不恰当，其计算结果也就没有任何的价值可言。尽管有缺点，作为一门新兴 学科，计算流体力学将会随着技术的进步和发展而日趋成熟，并将在化工领域得 到广泛的应用。 一个完整的计算流体力学模拟应包含如下几个方面的内容： 建立本构方程，即流体力学基本方程：连续性方程、能量方程、质量方程等。 采用雷诺平均，构建运动方程 用湍流模型方程进行封闭，不同于层流，必须考虑流体单元的脉动速度，脉 动是湍流流动的基本特征。从模型的构件及求解过程可以看出，其实质是寻找由 于脉动而引起的运动粘度的表达式。 介入多相流基本方程，对于多相流模拟来说，基本的湍流模型还不够用，需 要进一步寻找各相运动规律及相间作用力规律。 数值离散方程组，求解数值解。在对模型进行解算时，需要选择好的差分格 式、松弛因子、时间步长等，以使结果收敛和尽量减少c p u 运算时间。 1 2 1 湍流模型概述 湍流的复杂性决定了其不能获得精确计算结果，为了求得近似结果，人们进 行了各种假定或处理，将真实的湍流运动，模化为经人设计的模型，使得模型与 实际的湍流统计平均行为基本一致，构成湍流模式。良好的湍流模式所表现的数 学模型，必须正确描述湍流中的平均流场和物质扩散的特征，而且既要有通用性 又要计算简便。 第一章文献综述 在e u l e r 坐标系中，对流项的模拟已经发展为基于r e y n o l d s 时均方程及其关 联量输送方程的统观模拟( r e y n o l d s a s s o c i a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m n s ) 、直 接数值模拟( d i r e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 、大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ， l e s ) * i ：i 离散涡模拟( d i s c r e t e v o r t e xs i m u l a t i o n ，d v s ) 等几种方法，其中后三种能直 接得到流体的瞬态流场，而r e y n o l d s 时均的各种封闭模型只能得到时均值，要 想得到瞬时值，它还必须和另一些求脉动速度的方法楣结合。在实际工程应用中， 人们更关心流动的时均值而忽略湍流细节，目前在工程计算中对于湍流场都采取 雷诺平均法处理雷诺方程，将湍流场的各瞬时特征值表示为时均值和脉动值之和 如方程1 4 ，1 5 所示。 描述不可压缩粘性流体流动的时均连续方程和雷诺时均n - s 方程如下所示： 啦：o ax ( 1 2 ) p ( 鲁也罢 = 一酉a p + 毒 等+ 等 一p 焉 + 艄， 其中： u f = ”j + “j p = p + p 式中，u 、p 为瞬时值，p 、为时均值，”：、p 。为脉动值。 当时间间隔t 很长时有 ( 1 4 ) ( 1 5 ) “一l i m 。1 r ( ，扪 ( 1 6 ) 此时轧不再是时间的函数，这种平均方法称为雷诺平均。式1 - 3 就是著名的“雷 诺方程” 2 5 3 。雷诺把一b 甜- ：j 项解释为作用于流体上的附加应力，即雷诺应力， 它是一个二阶对称的应力张量。在方程t 4 和1 5 组成的方程组中，除了 虬= ，y ，= ) 和p 个未知数，新增加了“? 、；、? 、j “：、以z ，j 、以：六个二 阶相关量，但方程只有四个，因此方程组是不封闭的，所以，引用低阶的关系或 平均量来近似表示这些湍动量，也就是以湍流模式来模拟真实湍流的平均特性。 从而用这些微分形式或代数形式表示的模拟关系式来封闭方程组。 根据对湍流不同特性的模拟，现有的湍流模式大致可分为以下四类： ( 1 ) 平均速度场封闭模式。这种模式用某些平均量取代雷诺运动方程中的 脉动量，从而求得这些脉动量的某种估量。例如p r a n d t l 混合长理论 就是其中之一e 2 6 它用平均流速梯度反映霄诺应力一( m l u , ) 。 ( 2 ) 平均湍流场封闭模式。此种模式除了对平均速度进行估量外，还对 某些脉动量进行估量，例如k o l m o g o r o v - p r a n d t l 将涡体粘性系数n 与湍动能量和特征长度建立联系阮”，即 1 6 第一章文献综述 n = c 。五 ( 1 7 ) 式中k = 寺地吩。 ( 3 ) 平均雷诺应力封闭模式。此种模式是用建立雷诺应力各分量的关系， 以封闭湍流方程组。我国著名科学家周培源教授就提山了雷诺应力输 运方程组。后来逐步完善，形成完整雷诺应力模式瞠们。 ( 4 ) 平均湍动能封闭模式。此种模式是以湍动能量方程作为一个补充方 程，并与其它方程组成封闭方程组。例如一占模型就是其中之一。 b o u s s i n e s q 于1 8 8 7 年提出涡流粘性系数的概念奠定了后来许多湍流模型的 基础t 2 9 1 。他将雷诺应力写成如下形式： 一p 再= 所 考+ 等 s ， 式( 1 8 ) 中，胁是湍流粘性系数。同理，可得出湍流运动粘性系数和分子运动 粘度。即将式( 1 - 7 ) 代入得； p 鲁+ p 卅u j 玑一警+ ( v 训蕞丽 ， 式( 1 9 ) 中，v 是分子运动粘度系数，v = u p ；叶是湍流运动粘性系数， v t = h | p 。 与分子粘度不同，它依赖于湍流状态而不是物性参数，并且与平均流场相关。 那么雷诺应力问题归结为如何确定的问题。在求解过程中，模型理论由粗糙到较 为完善，方程由简单到复杂，但就其本质可分为两类：一类是采用湍流粘性假定 的“有效粘性”模型；一类是直接建立雷诺应力微分方程的“雷诺应力模型”。 目前，工程上应用最广泛静是未一占双方翟模型就是属于有效粘性模型。下 面具体介绍七一s 湍流模型及其应用。 1 211 标准j i 一占双方程涨漉模型 由j o n e s 和l a u n d e r 提出的双方程模型的基本表达式为 1 ，= 心。l( 1 1 0 ) 其中，量为湍动能，p 为湍动能耗散率。其基本表达式为 k 湍动能输运方程 p 苫。毒c 半考，+ 雎孥+ 等j 鲁一如s m 1 7 第一章文献综述 s 湍动能耗散率输运方程 p 毒= 苦c 立掣静鹄；竹 考+ 等j 等喝p 譬 1 2 ， 方程中的各常数可使用l a u n d e r 和s p a l d i n g 的推荐值， 。= 1 4 4 ，c 2 ；= 1 9 2 ，巴= o 0 9 ，c r r = 1 o ，0 6 = 1 3 简而言之，k 一占湍流模型采用了以下几种基本处理 i 用湍动能k 反映了特征速度 i i 用湍动能耗散率占反映了特征长度尺度 i i i 引进了雎= p 巳忙2 居) 的关系 利用了b o u s s i n e s q 假定进行简化 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，即通过求解偏微 分方程确定脉动特征速度与平均场速度梯度的关系，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 3 0 3 1 i 近几年，国内有人还模拟了三维空间的湍流旋流、气 体燃烧射流等复杂流体行为 3 2 3 。 但是，它也有其局限性，下面就其计算结果不理想或不成功的典型例子， 强旋流( 旋流数大于1 ) ；浮力流；重力分层流；曲壁边界流；低霄诺数流动： 圆射流。 对此，我们认为主要原因可能是 第一，它采用b o u s s i n e s q 假定，即采用了梯度性和各向同性的概念，因而使 后一s 模型难以准确地模拟剪切层中平均场流动方向的改变对湍流场的影响： 第二，它采用了一系列的经验系数，而这些系数都是在一定实验条件下得来 的，任意场合套用显然是不合适的。 所以国内外一些学者对各向同性的标准j 一e 模型进行修正。 1 2 1 2l i n g ( 重蔓化群) k 一占漕漉方程 在r n gk f 模型里【3 3 1 ，茁和p 的传递方程表示如下 第一章文献综述 p 甓= 苦一谚善 + g e + g 。一p 占 m - 。， 尸尝= 苦卜物毒 + q 专( q + q ；g ) 一g ；p 譬一只 ，a ， 在方程1 1 3 和1 1 4 中，湍动能g 产生项和浮力产生项g t 与一p 模型相同， r 可由下式算得 足：! 睦k 1 l m r ”3 ” ( 1 1 5 ) 其中，叩o * 4 3 8 ，声= 0 0 1 2 ，r ；s k e 。 在方程1 1 3 和1 1 4 中，哝和邑有关七和s 有效p r a n d t l 数的倒数，他们可 南下式得至i f id 一1 3 9 2 9 严11 口+ 2 3 9 2 9r ” j 一1 3 9 2 9 i| + 2 3 9 2 9 f ：丛咝 吻 n 1 6 ) 其中= 1 0 ， 在方程1 1 5 和1 1 6 中，有效粘度酊可由下式求得 d 蚓乩7 2 赢西 m 其中c 1 z 1 0 0 ，；：盟。 模型常数g 。= 1 4 2 ，g 。= 1 6 8 。 由上面的表达使可以看出，r n gk s 模型与k - s 模型主要区别在于： 1 k - s 模型是通过传统的雷诺平均得到的，而r n gk 一占模型是使用 更加严格的统计方法得到的； 2 在r n gk s 模型的占方程罩有一项专门考虑快速变形的流动，所 以对于快速变形的流动可以进行更加准确的预测； 3 r n gk - 譬模型中包括湍流中漩涡的影响，所以可以提高涡旋流的准 确性； 4 在k 一占模型中湍流p r a n d t l 数是一个常数，而在r n gk - 占模型中湍 流p r a n d t l 数是一个解析的公式： 5 k - f 模型只是用于高雷诺数流体流动的模拟，而r n gk - 占模型里 考虑了低雷诺数的影响，所以也是用于低雷诺数流体流动的模拟。 第一章文献综述 所有上面所列的这些特点使得r n g 七一s 模型比七一 模型更加的准确和可 靠。它特别适用于模拟以下这些流动方式口”： 分层流； 环流； 在弯曲几何体里的流动： 快速变形的流动； 涡旋流； 剪切层不稳定的流动； 低p r a n d t l 数流体的传热： 低雷诺数流体流动或过渡流。 因此与k g 模型相比，r n gk - s 模型对于近墙处的流体流动、流线高度弯 曲的流体流动、快速变形的流体流动、低雷诺数的流体流动、过渡流、尾流和漩 涡流等流动方式进行更准确的预测，但是在旋转坐标系中，r n gk s 模型的预 测结果是否正确，还有待于进一步的验证。 1 2 1 3r e a l i z e dt f 湍漉方程 r e a l i z e dk - f 模犁蜘与七一s 模雒! 和r n gk - s 模帮的卅i 同之处主爰在 于：在k s 模型和l i n g 七一占模型中涡流粘度c 。为常数，而在r e a l i z e d 后一占 模型中是一个变量表达式。r e a l i z e d k 一占模型已经被证实可广泛的被用于旋转 下的非均相剪切流、边界层的流动掘如等。 1 2 2 湍流边壁处理 边壁对湍流流动具有重要的影响，关