（化学工程专业论文）大型填料塔槽式液体分布器的实验研究与流体力学模拟计算.pdf

中文摘要 本文以大型槽式液体分布器为研究的对象，采用实验与计算流体力学结合的 方法，针对液体的均匀分布作了较为系统的研究，为大型槽式液体分布器的设计 提供理论上的数据与支持。 在工业用大型槽式液体分布器流体力学实验的基础之上，发现导致液体不均 匀分布的种种因素，提出了经济可行的改造方案，并且确定了流体力学模拟计算 的主要内容：一是大型槽式液体分布器进料方式的研究；二是分布器二级槽出口 处挡液板挡液效果的研究。 通过流体力学实验可知，在液体负荷较大的工况下，大型工业槽式液体分布 器存在较大的液体分布不均匀性。实验数据证明了加装折流板和改变预分布进料 管开孑l 布置的合理性，同时也为其它大型槽式液体分布器提供了可供参考的调整 改造方案，用来修正高液体负荷所带来的负面效应，减小流动对静态分布器液体 分布的影响。 液体在槽式液体分布器内的预分布很关键，直接影响整个分布器的液体分布 均匀性。在进料状况的模拟计算过程中，验证了多孔管液体分布存在较大的不均 匀性，提出了变孑l 径分布管的液体初始分配方式；分流对中间进料的影响较大， 缓冲段能够在一定程度上减弱分流带来的负面影响；作者还对预分布管出口面积 的变化对液体分配均匀程度的影响作了分析以及对比性研究，并且提出了如何恰 当的选取合适的预分布进料管出口孔径。 传统直板型挡液板在二级槽穿孔流速较大时会产生一定程度的缺陷，在一定 的范围内改变了液体淋降位置，影响了分布均匀程度。新型双侧挡液板能够克服 传统挡液板在大流量下的缺陷，并且能够改善液体分布形式，在实际设计、生产 过程中具有更优良的分布性能。 关键词：填料塔，槽式液体分布器，预分布，挡液板，计算流体力学 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o da n d 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 nh a v eb e e nu s e dt oi n v e s t i g a t eu n i f o r mf l u i dd i s t r i b u t i o ni nt h el a r g e - s c a l e s l o tl i q u i dd i s t r i b u t o r , w h i c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a ld a t aa n dp r o o ft ot h ed e s i g no f t h el a r g e s c a l es l o tl i q u i dd i s t r i b u t o r a tt h eb a s e so fh y d r o d y n a m i c se x p e r i m e n t so nt h e l a r g e s c a l e i n d u s t r i a ls l o t l i q u i dd i s t r i b u t o r , t h em a i nf a c t o r sw h i c hr e s u l ti nl i q u i dm a l d i s t r i b u t i o nh a v eb e e n f o u n d ，t h e ns o m ee c o n o m i c a la n df e a s i b l ea l t e r a t i o nm e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d ， t h em a i nc o n t e n t so fc f ds i r e u l a t i o na r ed e s c r i b e da sf o l l o w ：o n ei st h er e s e a r c ho f s l o tl i q u i dd i s t r i b u t o rf e e di n l e tm o d e ；t h eo t h e ri st h es t u d yo fl i q u i db a f f l eo nt h e o u t l e to fs e c o n ds l o t s f r o mt h eh y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n t s ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a to nh i g h e rl i q u i d l o a dt h el a r g e - s c a l ei n d u s t r i a ls l o td i s t r i b u t o rl e a d st of e a r f u ll i q u i dm a l d i s t r i b u t i o n i t i s a p p r o p r i a t e t oa d df l e x u r a lb a f f l ei nt h ef i r s ts l o t sa n dc h a n g eo u t l e th o l e d i s t r i b u t i n go nt h ef e e dp i p e ，w h i c ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a v ej u s t i f i e d ，a tt h es a l u e t i m e ，i tc a r la l s ob eu s e df o rr e f e r e n c eb y o t h e rs l o tl i q u i dd i s t r i b u t o r st or e v i s ea d v e r s e f a c t o r sc a u s e db yh i g h e r l i q u i dl o a d ，t o m i n i m i z et h ei n f l u e n c et os t a t i c l i q u i d d i s t r i b u t o ro w i n gt ol i q u i df l o w a g e t h ei n i t i a l l i q u i dd i s t r i b u t i o ni nt h es l o td i s t r i b u t o r si sv e r yc r i t i c a lt ot h ef i n a l d i s t r i b u t i o nq u a l i t y d u r i n gt h es i m u l a t i o nt ot h ef e e di n l e tm o d e ，i t sv a l i d a t e dt h a t p e r f o r a t e dp i p ec a nn o tp r o v i d ec o m p l e t e l yu n i f o r md i s t r i b u t i o n ，i fn e c e s s a r yt h e v a r i a t i o n a lo u t l e th o l ed i a m e t e ri sr e c o m m e n d e df o ri n i t i a lf e e dp i p e ；d i s t r i b u t a r yh a v e m o r ei n f l u e n c eo nm i d d l ei n l e tf e e dm o d e ，w h i c hc a nb ew e a k e n e db ya d dc u s h i o n p a r t ；d i f f e r e n tl i q u i do u t l e ta r e al e a d st od i f f e r e n td i s t r i b u t i o nq u a l i t y , h o w t oc h o o s e a p p r o p r i a t eo u t l e ta r e a i sa l s ow o r k e do v e rt h r o u g hc o n t r a s t i v em e t h o d s o m el i m i t a t i o nh a sb e e nf o u n do nt h et r a d i t i o n a ll i q u i db a f f l eu n d e rh i g h e r l i q u i df l o ws p e e dn e a rt h es e c o n ds l o t so u t l e t ，w h i c hr e s u l t si n a l t e r a t i o no fs t r e a m p o s i t i o na n di sb a df o rd i s t r i b u t i o nq u a l i t y t h en e wt y p el i q u i db a f f l ec a ni m p r o v e l i q u i d d i s t r i b u t i o nf o r ma t h i g h e rl i q u i dl o a d ，p r o v i d i n gb e t t e rl i q u i d d i s t r i b u t i o n p e r f o r m a n c e i nt h ep r a c t i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r ec o u r s e k e y w o r d s ：p a c k e dc o l u m n ，s l o tl i q u i dd i s t r i b u t o r , i n i t i a ld i s t r i b u t i o n ， f l u i db a f f l e ，c f d 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，也不包含为获得墨盗杰堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：穿淘静 签字日期：妒计年，月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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：害海苛 导师签名： 签字r 期：m 坤年1 月岔日签字日期：乃中年1 月( 乙侣 线 少s q 弼 如倔 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 填料塔液体分布器的研究现状及其应用 填料塔是非常重要的气液传质设备。与板式塔相比，填料塔具有效率较高、 通量较大、压降较低、持液量较小等优点，并且在真空操作、热敏物系的分离和 节能等方面具有优越性，所以在化工、炼油、轻工、制药以及原子能工业中得到 了广泛的应用。近几十年来，一些性能优良的新型填料的相继问世，特别是规整 填料的开发与应用，使得填料塔的应用有了新的突破。 同时，为了发挥规整填料的种种优点，还必须配以高性能的气、液分布器等 塔内构件，特别是大型塔，气液分布是否均匀对填料使用效果有显著影响。塔内 件是填料塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔，如图1 1 所示，所有的塔内件的作用都是为了使气液两相在塔内部更好的接触，以便于发 挥填料塔的最大效率和最大的生产能力，故填料塔内件的好坏直接影响填料性能 的发挥和整个填料塔的性能。所以不能够忽视对于新型塔内件的研究和开发，塔 内件主要包括有：液体分布装置、填料紧固装置、填料支撑装置、液体收集再分 布及进出料装置、气体进料及分布装置、除洙装置，作为关键的塔内件之一，液 体分布器越来越多地引起了人们的注意。 1 。1 1 填料塔液体分布器简介 液体分布器一般位于填料的顶部，将进塔液相物料以及回流液体均匀分布于 整个的塔横截面上，形成液体的初始分布，使得液相能够均匀的喷洒在填料层顶 部表面，为塔内气液相接触提供较大的接触面积，从而使填料的效率得到充分的 发挥。必要的话，在较高的填料塔中，还需要设计安装液体收集再分布器，将填 料层中的液相在塔中部实现二次分布。 设计制造一个性能良好的液体分布器，设计者需要全面清楚地知道分布器在 填料塔操作中的重要地位、基本要求、类型和结构概况、液体穿孔和越堰流动规 律、分布质量评价方法等问题。这样才能够根据某一特定的工况，正确、合理、 经济、因地制宜地进行选择和设计。一般来说，需要理论级数较多的难分离的物 系或者性能优越的填料，大直径、低床层的填料塔，要求液体的分布越均匀，对 分布器的性能要求越高。 目前，传统的液体分布器的设计已经形成了一套较完整的思路，广泛应用于 实际的设计制造过程中。浙江大学的董谊仁【1 教授发表了多篇论文，详细阐述了 各种液体分布器的设计思路。国内的许多专家学者经过不断的努力，在生产实践 兰二主苎堕堡笙 基础之上结合传统的液体分布器，开发出多种各具特色、性能优越的新型分布器， 如虹吸式液体分布器、c p 型液体分布器和双层排管式液体分布器等【2 删。 r ：娃豁。 m t 栉k 浦怍聃媲器 竹弗坤 m 。 抖甜辄群一 业扪 柱 图i - 1填料塔内件整体布置图 f i g 。i - 1l a y o u to f p a c k e dt o w e r i n t e r n a l s 1 1 2 液体分布器的重要性 在精馏、吸收、解吸填料塔操作中，液体分布器都是重要的塔内件，前人在 填料塔内液体的初始分布对分离效率影响方面做出了大量丽详实的研究，其主要 的结论就是液体的初始分布对于填料塔分离效率有很大的影响，不良的液体初始 分布将导致填料塔效率的大幅度下降。本文将从以下三个方面来说明液体分布器 在填料塔中的重要地位。 1 1 2 1 液体分布器是保证传质顺利进行的重要塔内件之一 分散相得到良好的分散和液滴群沿塔截面均匀分布是使塔内传质过程得以 顺利进行的必要条件。生产经验表明，工业填料塔无法正常操作的各种问题常常 是由于分布器设计不合理所造成的。任何严重的初始分布不均匀需要数倍于塔径 的填料高度才能得到纠正。因此分布器的合理设计引起了有关方面的关注。 在新型填料塔中，液体的预分布和再分布都是十分重要的，其分布效果的好 2 第一章文献综述 坏直接影响填料塔的分离效果。为了保证填料塔的操作要求液体分布器必须操作 稳定，分布均匀，并且有足够的操作弹性和气体通道。 1 1 2 2 液体分布器对于解决填料塔的放大效应具有重要意义 近二十多年来，以“高效填料及其塔内件”为代表的新型填料塔成套分离技 术在国内受到了普遍的重视，而有效的解决放大效应是促使高效填料走向工业 化、大型化的重要环节。填料塔的直径增大以后，其效率就会下降，产生所谓的 “放大效应”，1 9 6 4 年国际蒸馏会议认为放大效应是由填料塔放大以后液体分布 不均匀所导致。在填料塔的设计中，要提高填料塔的效率，除采用高效填料，重 视物系的特殊性之外，还必须有结构合理的塔内件与之相匹配。三十年来，填料 塔液体分布器及液体分布研究进展很大，美国精馏研究中心( f i u ) ，美国诺顿公司 ( n o r t o n ) ，美国格里奇公司( g l i s t c h ) ，瑞士苏尔寿填料公( s u l z e r ) 等对填料塔的 液气分布进行过系统的研究，可见液体分布器的重要性。例如美国f e d l 6 j 自6 0 年代起，在工业规模的热模试验塔内对填料性能进行了系统的研究，研究结果表 明：填料塔直径对填料性能的影响很小，填料床层上液体的初始分布是影响填料 效率发挥的关键因素。也就是说，解决填料塔放大问题的关键是液体分布器的设 计。 莱思哈特毕力特m 教授通过试验得出下面的结论，只要液体进料在塔截面 上初始分布均匀，即使是塔经较大的散堆填料床也不会趋于不良分布，规整填料 的效率几乎与塔径无关。图1 2 表示了2 5 0 y c 型麦勒派克金属板片规整填料的 传质效率同塔径之间的关系，操作条件为：初始液体分布均匀，氯苯和乙苯物系， 液气比为1 ，气体负荷因子为2 5 m 。1 屈s 1 k g “2 ，曲线a 的塔操作压力为 5 0 1 0 0 m b a r ，曲线b 的塔操作压力为4 0 0 m b a r 。由图可知，在液体初始分布均匀 的条件下，塔径对该规整填料效率的影响不是很明显。 4 z 籁3 慰 袋2 斟 1 0 b 0 1 图1 2 f i 9 1 2 塔径d m l 规整填料传质效率与塔径的关系 e f f e c to f t o w e rd i a m e t e ro ne f f i c i e n c y 第一章文献综述 1 1 2 3 液体的初始分布与填料塔效率的关系 液体分布器对填料的效率影响很大，在对填料床层内部取样发现，发生在床 层顶端的分离作用是很低的，通常被称为填料端效应，而且这是影响填料性能正 常发挥的主要因素。对于同一种填料采用不同类型及尺寸的分布器所得到的等板 高度( h e t p ) 是不同的，往往相差很大，甚至高达几倍之多。许多著名学者在这 方面进行了理论和实验研究。荷兰d e l f t 大学的h o c k 8 】教授指出，对于1 英寸填 料，由于分布不良其h e t p 值会增大1 2 倍。不同类型的填料对液体分布器的 要求也是不同的，一般来说，小尺寸填料的分离效率受到的影响比较显著。 液体的初始分布对填料塔效率的影响主要归结于它对填料层内液体的分布 产生直接的作用。因为液体在填料层内可形成两种不良分布，即大尺度不良分布 与自然流分布形成的不良分布( 也称小尺度不良分布) 。大尺度不良分布主要由填 料塔安装、填料装填失误或液体分布器设计不好、安装严重不正确及损坏造成； 自然流分布，即每一种填料不论其初始分布的质量如何，液体流过一定长度的填 料层之后都会建立起一个稳定的液体流动分布，此种液体分布即该填料的自然流 分布它只取决于填料的固有特性：类型及尺寸。 a 1 b r i g h t t 9 】提出自然流分布的概念，并通过计算机模拟证明：每一种填料有 一自然流分布，不论初始分布好坏，只要有一段足够高度的填料层，初始分布终 会转化为自然流分布，理想的初始分布将衰变成自然流分布，不良分布，有时要 经历一段很长流动距离，再慢慢转化为自然流分布。这些结论还被h o c k 7 1 等人 的实验研究所证实。 不良的液体初始分布必然导致填料塔分离效率的急剧下降，k i l l a t 1 0 j 提出了 在4 种不同分布器设计情况下同一填料塔的h e t p 与液体流动速率的关联图，如 图1 3 所示。 由图中可以看出：在较大的操作范围内，高性能液体分布器a 对应的等板 高度值最小，说明好的液体初始分布能够带来高的填料塔效率；中等性能的液体 分布器b 有较大的操作弹性，塔效率比使用a 分布器时低，但比c 、d 两种液 体分布器的分布效果好，能够获得较高的塔效率：液体分布器c 是较低性能的 液体分布器，它只有在一定的流量范围内( q o 3 1 ) 具有符合要求的塔效率，在低 负荷下( q 一) ，即使性能良好 的液体分布器a 也不能够阻止填料塔效率降低。因此在大型填料塔的液体分布 器设计中，应该注意保证液体分布器能够在正常生产负荷下提供良好的液体分布 4 第一章文献综述 效果。 图1 - 3 分布性能对h e t p 的影响 f i g 1 - 3q u a l i t y - o f d i s t r i b u t o rv s h e t p 德国的r e i n h a r db i l l e t “1 教授分析过液相分布不均匀对散堆填料塔效率的影 响，如果液体分布的不均匀度m 介于0 - 1 之间，分离效率的降低值可以由下式 来估计： e = rn 、 l 百j 。：。( 等) 。 ( 乱：。 = 1 一e c ( 1 - 1 ) 一般认为分布不均匀度能够反映真实填料的性能，m 可能取决于塔中气相 负荷因子和进口分布质量。根据h u b e r 和h i l t b r u n n e r 理论，如果分布不均匀 度m 在整个塔高上面起作用，则塔效率e c 可以由下式给出： 玎一1 一，+ 1 0 f 立 2 f ，m + 丝 上 。2 ld lr r + 1 根据式( 1 - 2 ) ，在全回流的状态下( r = o o ) ，作出d s d 和a e 关系，见图1 - 4 。 图1 4 可以充分说明理论上的效率损失概念。当d s d 1 0 时，由液体分布不均匀 影响填料效率的损失值不是很大，般都可以忽略。当d s d 1 0 时，液体分布 不均匀很有可能发生而且引起填料塔效率较大的损失，比值越高，损失越大。目 llip卜江叶1_ 第一章文献综述 前国内最大的精馏塔的直径已经达到1 0 米以上，很多中、大型塔器d s d 值比1 0 大得多，此时分布器液体分布性能的好坏尤为重要。 图1 - 5 给出了液体初始分布质量对填料性能的影响【旧】，从图中可以看出，填 料层中理论级数越多，液体的初始分布质量对填料层效率的影响越大。当液体初 始分布质量下降到4 0 时，2 0 理论级的填料层下降到1 0 级，而8 理论级的填料 层下降到了5 级。 0 5 o 4 水 骚0 3 _ i l 卜 较0 2 按 0 1 0 m = 0 3 m = 0 2 m 迅、 - ol o2 03 04 0 塔径填料直径d s d 图1 4 液体分布不均匀度对塔效率的影响 f i g 1 4e f f e c to f m a l d i s t r l b u t i o no ne f f i c i e n c y 如一 日蜃胜 喟的理埝扳x ， i 2 ，一一 ， g j - 一 4 5 0 01 02 03 0 4 05 0 6 0 7 0 8 09 0i 0 0 梭体分布量量 图i - 5 液体初始分布质量对填料性能的影响 f i g 1 - 5e f f e c t o f i n i t i a ll i q u i dd i s t r i b u t i o no n p a d d i n gc a p a b i l i t y 6 地m 挖0 0 0 2 0 妊骑嵇俐g怔嘣剧啦忸|驿 第一章文献综述 综上所述，填料塔内部初始液体分布至关重要，而初始液体分布主要靠液体 分布器来实现，所以应当给液体分布器的设计、研究给与足够的重视。 1 1 3 传统液体分布器的分类及各自特点 在长期的生产经验基础之上，人们总结设计出了种类繁多的传统液体分布 器，它们结构各异，适用的对象也不尽相同。从最初的压力喷头到现在性能较高 的槽式液体分布器，分布质量越来越高，结构也越来越精细。 按照不同的分类方法可以将液体分布器分成不同的类别：( 1 ) 按照用途分类 可以将其分为通用型和特殊用途型，前者指具有常规的操作弹性、喷淋密度、气 速范围，其适用于一般流体；后者包括了高弹性、特大或特小喷淋密度、高气速、 特殊物料等场合下适用的分布器。( 2 ) 按照流体流动的推动力可以分为压力型和 重力型，前者需要额外提供流体通过分布器流动的能量。( 3 ) 按照液体流出分布 器的方式分类可以分成孔口型和堰型。( 4 ) 按照结构形状可以分为喷头式、管式、 槽式和盘式四种分布器，这是目前最常用的分类方式。下面根据结构分类，介绍 几种传统的液体分布器。 1 1 3 1 喷头式液体分布器 喷头式液体分布器根据喷头的结构不同还可以细分为弯管式、缺口式和莲蓬 头式，如图1 - 6 所示。这种分布器的喷淋面积较小，均匀性比较差，一般只适用 于塔径小于3 0 0 m m 并且对分布均匀性要求不高的场合下【1 。 喷头式液体分布器的结构简单，造价低，但是缺点很明显，目前工程上已经 很少应用。 1 1 3 2 管式液体分布器 管式液体分布器根据结构的不同也可以分为很多种，如图1 7 中所示，不同 的结构的适用范围也不尽相同，可以进行一下对比研究。管式液体分布器一般都 属于压力型分布器，目前应用也十分的广泛，优点在于不仅适用于整砌填料，而 且还适用于乱堆填料。常用在液体负荷不太高，但要求喷淋点数多且液体比较清 洁、无固体颗粒和要求安装、拆卸方便的场合，它所提供的气体通道也比较大。 如果系统要求使用弹性较高的排管式液体分布器，则可以采用双排管式【l “。 第一章文献综述 h 悱1 曰 a ”驴i i j 0 4 5任意通常 1 2任意任意 易堵程度高低中 高 由 低低 气体阻力 低低高低中高 ， 高 对水平度要求 无无有有有有 腐蚀的影响高 低高高低 低 受液面波动的影响无 无有有有有 液沫夹带有 有无无无 无 重量低低 高中中 由 盘式多盘式槽式 喷嘴式 图1 1 2 液体分布器选取流程图 f i g 1 1 2f l o w c h a r to f l i q u i dd i s t r i b u t o r ss e l e c t i o n 1 3 第一章文献综述 1 1 ，4 2 分布质量的评价 液体分布器性能的优劣可以通过其分布质量来评价，很多专家学者提出了不 同的定量评价方法。1 9 8 6 年，m o o r e 2 0 1 和r u k o v e n a 提出了通过图解和计算相结 合的方法来评价液体分布器的分布质量；1 9 9 0 年。p 哪 6 1 等人用作图法评价喷 淋点布置的均匀性；同年，s p i e g e l 2 l 】提出通过实测单位面积内液体流率来进行 评价的方法；1 9 9 5 年，l u i s k l e m a s 和j o r g e a b o n i l l a e 2 2 1 提出了一种更为简单而又 可靠的评价分布质量的计算方法。下面介绍工业中常用的由m o o r e 提出的分布 质量评价方法。 如图1 1 3 所示，m o o r e 和r u k o v e n a 提出在直径等于填料塔直径的大圆内， 以每个喷淋点为圆心作小圆，各小圆的面积代表该喷淋点的流量，大圆面积代表 塔截面，通过计算不同区域面积来衡量分布质量。 的1 1 2 塔截面 图1 - 1 3m o o r e 分布质量评价圈 f i g 1 - 1 3m o o r e d i s t r i b u t i o nq u a l i t y 由质量守恒可知全部小圆面积之和等于大圆面积，由式( 1 - 3 ) 来计算分布 质量： d 。= 0 4 0 ( 1 0 0 一a ) + 0 6 0 b o 3 3 ( c 一0 7 5 ) ( 1 - 3 ) 其中：爿：塑查垫型! 粤翼耋望堕萱亘塑。1 0 0 ( 1 3 。) 县恍肛丽丽丽一剐w ” “7 口：型! ! 堡重亘堡圭霎尘竺! ! 旦亘塑查塑。1 0 0 ( 1 3 b ) 1 1 1 2 塔截面积 b z2 。 “。3 。 第一章文献综述 c = 号豁圳。( 1 - 3 d ) b 表示选择一块连续的1 1 2 塔截面积且该处与平均流率的偏差最大，b 取 两者之中的较大值。c 表示相邻的小圆重叠面积占塔截面的百分比。 在分布器的操作弹性范围内，根据计算的d q 的数值来判断分布器的分布质 量优劣。结果见表( 1 2 ) 。 表1 - 2m o o r e 分布质量计算结果表 d q 计算结果 分布器评价分类 9 0 高性能分布器 7 5 9 0 中性能分布器 1 0 7 0 低性能分布器 m o o r e 分布质量理论的提出是液体分布器设计领域的一个突破，能够定量的 描述液体分布器初始分布的优劣，为衡量液体分布器的性能提供了理论依据。但 当它用来计算喷淋点特别多的分布器时，计算显得特别复杂，b 值的确定也很困 难，而用于规整填料的液体分布时，缺乏准确性。 随着高效填料的不断问世，也需要加紧研制高效、多能的新式分布器。英国 阿斯顿大学的k e p o r t e r 教授曾经指出：“近十五年来，在精馏和吸收领域中最 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了广泛应用，这标志 着塔填料、塔内件以及填料塔的综合设计技术进入了一个新阶段。”【l3 j 所以绝对 不能够忽视对分布器的研究，尤其是对大直径的填料塔。 今后填料塔液体分布器将向以下几个方面发展：( 1 ) 高效、多用型，具有较 高的液体分布质量；( 2 ) 气阻小、方便调整和安装；( 3 ) 结构紧凑，占有塔空间 小；( 4 ) 液体分布将由点变成线，甚至在整个填料面上实现或近似面分布；( 5 ) 新型分布填料的开发与研制。 综上可知，随着现代化工技术的发展和填料塔的大型化，解决好塔内件的设 计问题至关重要，尤其是液体分布器的研究和设计。因此本次研究的主要内容为： 在大型槽式液体分布器流体力学试验的基础上，利用流体力学计算软件，对实验 中发现存在的问题进行模拟和优化，紧跟液体分布器的发展方向，寻找适当的解 决方案，并设计实验来验证结论的正确性，提出有益于大型槽式液体分布器设计 的建议。 第一章文献综述 1 2 计算流体力学方法及其软件概述 现代化学工业生产中，为了提高产品质量、降低能量消耗，需要不断对现有 工艺及操作控制进行革新和优化，与此同时还需要开发新的产品、新的分离器形 式以及新的生产工艺流程，可见该过程需要进行的研究和开发工作是大量的。然 而对工艺改造和开发的时间有限，资金的投入也要尽可能的少，所以工程师迫切 需要寻找灵活可靠、省时省力的新方法。近年来随着计算机的普及、计算处理能 力的不断提高，一种新的基于数值技术的计算流体力学方法正在冲击并改变传统 的过程设计方法 2 3 , 2 4 ，这种方法在化工中的应用也越来越受到人们的重视。其原 因是计算机成本的不断降低而实验费用在不断增加，设计过程越加依赖于计算机 的预报，而实验方法也可能将逐步转变成为验证并确立计算机模拟计算程序准确 性和可靠性的一种手段。 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板上多 相流的模拟口5 】，还有人在进行流化床的模拟【2 7 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 程掣28 1 。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1 2 9 】。 1 2 1 计算流体力学方法概述 1 21 1 计算流体力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 简写为c f d ，是2 0 世纪 6 0 年代起伴随计算科学与工程( c o m p u t a t i o n a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，简称 c s e ) 迅速崛起的一门学科分支，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相 当的成熟了，一个重要的标志就是近十几年来，各种c f d 通用软件的陆续出现， 成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域，如航空、航天、船舶、 水利等。由于c f d 通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断的扩大，在化 工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用【j 。 现代流体力学研究方法包括理论分析，数值计算和实验研究三个方面。可针 对不同的问题进行研究，相互补充。理论分析研究能够为数值计算和实验研究提 供有效的指导；试验是认识客观现实流体的有效手段，验证理论分析和数值计算 的正确性；计算流体力学通过提供模拟真实流动的手段补充理论及试验的空缺。 更重要的是，计算流体力学提供了方便、优质和经济的流体模拟、设计和优化的 1 6 第一章文献综述 工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困 难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信 息。与试验相比，计算流体力学具有对于参数没有什么限制，费用少，流场无干 扰的特点。出于计算流体力学如此的优点，我们选择它来进行模拟计算，可以直 观地显示计算结果，对流动结构进行仔细的研究。 计算流体力学在数值研究大体上沿两个方向发展，一个是在简单的几何外形 下，通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象，或者发展更好的计算方法； 另一个则为解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依 据。理论的预测出自于数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的结 果。计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方 程的数学理论、计算几何、数值分析等，这些学科的交叉融合，相互促进和支持， 推动了学科的深入发展。 c f d 方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节 点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律是：质量守恒 定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们分别导出连续性方程、动量方程( 又 称纳维一斯托克斯方程) 和能量方程。应用c f d 方法进行流场模拟计算时，首先 需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型，依据的基本原理是流体力学、热 力学、传热传质等平衡或守恒定律。由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、 湍流特性等守恒方程组，如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成联立的非线 性偏微分方程组，不能用经典的解析法，只能用数值方法求解。求解上述方程必 须首先给定模型的几何形状和尺寸，确定计算区域并给出恰当的进出口，壁面以 及自由面的边界条件。而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程 方程的完整数学描述。求解的数值方法主要有有限差分法( f d m ) 和有限元 ( f e m ) 以及有限分析法( f a m ) ，应用这些方法可以将计算域离散为一系列的 网格并建立离散方程组，离散方程的求解是由组给定的猜测值出发迭代推进， 直至满足收敛标准。常用的迭代方法有g a u s s - s e i d e l 迭代法、t d m a 方法、s i p 法及l s o r c 法等。利用上述差分方程及求解方法既可以编写计算程序或选用现 有的软件实施过程的c f d 模拟。 1 2 1 2c f d 模拟方法分类 c f d 模拟有多种方法，根据解决问题的集中程度可以分成以下的几种方法： 针对所研究的过程的具体问题编写专用程序。这种办法在设置程序的过程 中，需要对过程有深入的认识并且熟悉基本方程的模型化、数值方法及编程 技巧，所耗的时间较长，普遍适用性有限。 针对一个类型的问题编制的类型程序。克服了上面专用程序的一些缺点，使 第一章文献综述 用比较方便，是目前应用最广泛的程序。现在很多的公司、研究机构都开发 研究出适用范围比较广泛的模拟计算程序，使用情况也比较好。 物理、化学流体力学的通用程序。适用广泛而且使用程序清晰，已经成为了 软件商品，在欧、美、日等高校及研究机构中使用广泛。常用的商业c f d 软件主要由美国c r e a r e 公司的f l u e n t 系列软件，s p a l d i n g 推出的 p h o e n t i c s ，g o s m a n 等开发的f l o w 3 d 。 一旦具备了相应的程序或者软件，便可以对过程或工况进行模拟计算，得到 过程控制参数以及关注问题的分析数据。c f d 方法的最大优势就是在确定了可 靠的模型后，工况的改变相对比较容易，因此可以对不同的方案，设计进行筛选 和优化。 1 21 3c f d 数值模拟的一般步骤 c f d 数值模拟的过程可以表述为图1 1 4 所描述的过程。 图1 1 4c f d 方法过程示意 f i g ，1 - 1 4s k e t c hm a po f c f dm e t h o dp r o c e s s c f d 数值模拟一般遵循以下几个步骤： 建立所研究问题的物理模型，再将其抽象成为数学、力学模型，然后确定要 分析的几何体的空间影响区域。 勘建立整个几何形体与其空间影响区域，即计算区域的c a d 模型，将几何体 的外表面和整个的计算区域进行空间网格划分。网格的稀疏以及网格单元的 形状都会对以后的计算产生很大的影响。不同的算法格式为保证计算的稳定 性和计算效率，一般对网格的要求也不一样。 c ) 加入求解所需要的初始条件，入口与出口处的边界条件一般为速度、压力条 件。 d ) 选择适当的算法，设定具体的控制求解过程和精度的一些条件，对所需分析 第一章文献综述 的问题进行求解，并且保存数据文件结果。 e ) 选择合适的后处理器( p o s tp r o c e s s o r ) 读取计算结果文件，分析并且显示出 来。 1 2 2 湍流模型 良好的c f d 数值模拟计算需要选择合适、正确的流动模型，这是计算流体 力学得以顺利进行的前提。数学模型能否精确、恰当的描述复杂的流动现象，直 接决定是否能够得到有价值的计算结果，是否能对流动现象进行正确的预测。任 何实际流动类型都有其特有的复杂性，尤其是湍流，因此通过人们进行的各种假 设或处理，将真实的流动模化为设计模型，进行模拟数值计算，阻获得近似的结 果。主要的流动模型类型有层流模型、湍流模型，每一种模型下面又可以有多种 的计算方式，要根据实际情况，分析选取最合适的一种模型进行计算。 在实际的工程应用中，湍流流动的时均值要比湍流细节更加受关注，所以对 于湍流流场都采取雷诺平均法来处理，将湍流流畅的各瞬时特征值表示成为时均 质和脉动值之和，如方程( 1 - 6 ) 、( 1 7 ) 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 方程如式 ( 1 3 ) 、( 1 4 ) 所示： 坌竺! ：o ax ( 1 4 ) p ( 鲁坝嚣 = 一善+ 去 ( 等+ 等 _ p 丽 + ， 其中： u 。2 “，+ “， ( 卜6 ) p=p+p ( 卜7 ) 上式中，u 。、p 为瞬时值，p 、u 。为时均值，“：、p 为脉动值。 当时间间隔t 很长时有 ”3 媳 r 叫r ( 1 _ 8 ) 此时，“，不再是时间的函数，这种方法称为雷诺平均。方程( 卜5 ) 中一必i 乏) 应 解释为作用于流体上的附加应力，即雷诺应力。 1 9 第一章文献综述 1 2 2 1 标准k s 双方程湍流模型 k s 双方程模型是工程上应用最广泛的一种模型，它采用平均湍动能封闭 模式，引入了湍动能量方程作为补充方程，和其它方程组成封闭方程组。k 一占湍 流模型用湍动能k 反映了特征速度；用湍动能耗散率占反映了特征长度尺度：利 用了b o u s s i n e s q 假定进行简化。 b o u s s i n e s q 于1 8 7 7 年提出，湍流应力与粘性应力相似的假设，从而提出了 湍流粘性系数的概念，奠定了很多湍流模型的基础。”。他将湍流应力写成如下形 式： 铲一p 丽u j u 确( 挈+ 等1 c 删 一 ，叫r i 蠢+ ii 。9 j o n e s 和l a u n d e r 提出了k 一占双方程的基本表达式： “= 印。二 ( 1 - 1 0 ) 其中，“为湍流粘性系数，后为团动能，占为湍动能耗散率。 k 湍动能运输方程： p 百d k = 丢c 等 筹，l 考+ 筹 筹一p c 。s ( 1 - s 湍动能耗散率运输方程： p 毒= 毒c 产考，+ c t k z r l 考+ 等j 考一c ：p 譬 n - 1 2 方程中的各个参数使用l a u n d e r 和s p a l d i n g 的推荐值： c 1 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，q = o 0 9 ，巳= 1 o ，盯。= 1 3 k s 双方程模型具有以下的优点，首先通过求偏微分方程考虑湍流物理量 的运输过程，即通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均流场梯度的关系， 而不是直接将两者联系起来；其次，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 是通过求解相应的偏微分方程得到，因而k s 模型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。 很多的计算结果表明，k s 模型能比较好的用于环流、渠道流、边壁射流 和自由湍射流等复杂流动，甚至某些更复杂的三维流”2 ”：。国内已经有人在用该 模型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。“。标准k - & 方程模型也存在着一些缺陷，以使该模型中的许多模化项建立在各向同性假设之 第一章文献综述 上，使得该模型对于一些各项异性较强的流动( 如分离流动) 不能很好的进行模 拟，而是该模型中的霄诺应力是通过b o u s s i n e s q 假设与平均速度梯度线性关联， 这一线性关系使得标准的方程模型无法模拟出方截面管流中的二次流。由于 b o u s s i n e s q 假定的限制，k 一占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，同时由于经验系数是在一定的实验条件下确定下来的，限 制了模型的适用范围。 1 2 2 2 r n g ( 重整化群) k s 湍流方程 r n