隔板塔气体调配装置数值模拟及实验研究

陈文义，孙姣，葛化强，陈楠，陈祥武

（1河北工业大学化工学院，天津300130；2河北工业大学工程流动与过程强化研究中心，天津 300130；3中芯国际集成电路制造有限公司，北京 100176；4大港油田炼达集团有限公司，天津 300270）

隔板塔气体调配装置数值模拟及实验研究

陈文义1,2，孙姣1,2，葛化强1,2，陈楠3，陈祥武4

（1河北工业大学化工学院，天津300130；2河北工业大学工程流动与过程强化研究中心，天津 300130；3中芯国际集成电路制造有限公司，北京 100176；4大港油田炼达集团有限公司，天津 300270）

针对隔板塔中隔板两侧气体分配比难以调节的问题，提出了一种新型隔板塔气体调配装置。利用计算流体力学软件STAR-CCM+对该装置的性能进行了模拟分析，并经实验研究对模拟结果进行验证；对不同塔径下升气槽个数进行了模拟研究。结果表明：该气体调配装置能够有效地调节气体在隔板两侧的分配，并且气体通过该装置后分布较均匀，成功实现了气相在隔板塔内的分配控制，实验结果和模型模拟值符合良好。

隔板塔；气体调配装置；计算流体力学；分布；实验验证

引 言

精馏是化工生产中常用的分离手段,但精馏过程能耗巨大,精馏过程的节能一直是研究的热点[1-3]。热偶精馏是由主塔和副塔组成的复杂塔序，可以降低过程中有效能损失，提高热力学效率[4-7]。隔板塔是在普通精馏塔内部设置一竖直隔板,将精馏塔分成上部公共精馏段、下部公共提馏段、由隔板隔开的预分离段和侧线采出段4部分，它是完全热偶精馏塔的一种特殊类型,在热力学上与完全热偶精馏塔等效[8-9]。隔板塔及组成如图1所示。但是隔板塔结构复杂，自由度多，致使隔板塔的控制一直是制约其工业化的重要原因，其中隔板两侧的气体分配比是非常重要的参数。研究发现，气体分配比不仅关系着各产品的纯度，也直接决定着能耗高低[10-14]。现阶段主要依靠隔板在塔内的轴向位置来实现上升气体在隔板两侧的分配，由于在实际操作中隔板位置固定及干扰因素影响，在操作运行中不能准确实现和改变气体分配比，影响分离效率和能耗[15-16]。同时，隔板的引进对气体的分布提出了更高要求，气体不均匀分布将会导致气液接触不良，严重影响填料床层的流体力学特性[17]。

图1 隔板塔及组成示意图Fig.1 DWC configuration

针对以上问题，提出了一种新型的气体调配装置。对该装置调节气体分配比的能力，以及气体通过该装置后的分布均匀情况进行了数值模拟，并用实验进行了验证。随后对不同塔径下升气槽个数进行了模拟研究，以为该气体调配装置的应用提供依据。

1 气体调配装置结构及原理

气体调配装置主要由阀片、升气通道、气体分布板、升气槽、V型帽和降液管等组成，如图2所示。V型帽用于收集隔板两侧的下降液体并防止液体进入升气槽，液体经收集后通过降液管流出该装置。塔内上升气体进入升气通道时，通过改变阀片的旋转角度，改变升气通道内的通流面积，上升气体根据两侧阻力不同而有机地分配到两侧通道内，从而完成气体分配比的调节，气体随后经过分布板和升气槽及V型帽均匀地进入隔板两侧[18]。

图2 气体调配装置实物图及模型Fig.2 Vapour splitter

2 数值模拟

2.1 计算模型

由于本文只涉及气相的研究，为简化模型而将降液管忽略。本气体调配装置安装在外径为300 mm的塔体内，塔体壁厚为8 mm，计算域是高度1500 mm、直径300 mm的圆柱区域。基于STAR-CMM+软件，采用多面体网格对计算域进行网格划分，网格总数为87万，计算网格模型如图3所示。流体为常温常压空气，密度ρ=1.25 kg·m−3，黏度μ=1.81×10−5Pa·s。

图3 计算网格模型Fig.3 Grid model

2.2 基本方程

气体调配装置内的气体流动为二维不可压缩湍流流动，气体流经该装置时流线多变，且受到较多阻碍，选取雷诺时均N-S方程、连续性方程和Realizablek-ε二方程模型[19]联立求解。

雷诺时均N-S方程和连续方程

式中，u为速度矢量，m·s−1；t为时间，s；p为压力，Pa；I为单位张量；μ为空气分子黏度，Pa·s；μT为湍流涡黏度，Pa·s。

Realizablek-ε二方程模型

式中，ρ为流体密度，kg·m−3；μ为分子黏性系数，Pa·s；μt为湍流黏性系数，可用式（5）计算，Pa·s；k为湍动能，J·kg−1；ui为速度分量，m·s−1；xi、xj为各坐标分量，m；Prk为k的湍流Prandtl数，Prk=1.0；Gk为由平均速度梯度产生的湍动能，可用式（7）计算；ε为湍动能耗散率，m2·s−3；Prε为ε的湍流Prandtl数，Prε=1.2；Eε为自定义源项；C1、C2为系数，C1可用式（8）计算，C2=1.9。

式中，Cμ为系数，可用式（6）计算。

式中，Eij为平均应变率张量；Ω是角速度为ωk参考系中的转动速率张量。

式中，η为平均流时间尺度与湍流时间尺度之比。

2.3 边界条件

气体入口选取在分配控制器下方300 mm处，进口采用速度进口边界条件，气体进口方向竖直向上，出口采用压力出口。根据壁面不滑移假设，计算区域壁面设置为非滑移网格属性，设置边界层厚度为5 mm。

2.4 结果与分析

本文定义的气体分配比为左侧升气通道与右侧升气通道的气体流量比值，右侧阀片角度为右侧阀片侧面与水平面所成的角度，如图4所示。

图4 气体分配比及右侧阀片角度定义Fig.4 Definition of vapour split and right blade angle

评价气体均布性有各种指标，最常用的指标是气体不均匀度[20]。气体不均匀度越小表明气体分布越均匀。气体不均匀度计算如下

式中，n为轴向截面上计算气速的点数；ui为轴向截面点i的气速，m·s−1；为该轴向截面上平均气速，m·s−1。计算气体不均匀度时，在轴向截面上取等距分布的5条线，然后在每条线上选取均匀分布的测速点，共计35个，如图5所示。

图5 测速点选取示意图Fig.5 Sketch of selection of measuring points

2.4.1 气体调配装置流场分析 保持气体调配装置左侧阀片竖直，右侧阀片偏转一定角度，对气体调配装置流场进行数值模拟，图6为气体调配装置内速度矢量图。如图6所示，气体以较快速度均匀经过左侧升气通道，在进入分布板之前，由于流通面积增大，气体做扩散运动，在塔壁附近产生涡流，在经过分布板后气体重新分布均匀，在流经V型帽上端时产生涡流。在右侧升气通道内，气体高速通过阀片和通道内壁之间的狭缝，在阀片背面产生涡流，随后在分布板的作用下，向上均匀地流入升气槽。由于气体速度较高，做扩散运动时损耗较大动能，同时，涡流现象易造成气体分布不均匀，影响传质效率[21]，后续设计中应尽量避免产生涡流现象。

图6 气体调配装置速度矢量图Fig.6 Velocity vector diagram of vapour splitter

2.4.2 右侧阀片角度对气体分配比的影响 左侧阀片始终保持竖直状态，右侧阀片角度的偏转范围为10°～90°，且每隔10°改变一次，考察了进口气速分别为1.0和1.5 m·s−1时，右侧阀片角度对气体分配比的影响（图7）。图8为进口气速为1.0 m·s−1时，右侧阀片角度对两侧升气通道内气体流量的影响。

图7 右侧阀片角度对气体分配比的影响Fig.7 Effect of right blade angle on vapour split

图8 右侧阀片角度对两侧气体流量的影响Fig.8 Effect of right blade angle on flow rates of two sides

如图7所示，随着右侧阀片偏转角度增大，气体分配比逐渐降低。在偏转角度大于50°之后，气体分配比变化较缓慢，这是由于此时右侧通道气体流通面积随阀片偏转角度改变较小，从而使右侧气体流量变化缓慢；在右侧阀片偏转角度小于50°时，该装置对气体分配比调节较灵敏。从图8可以看出，右侧升气通道内气体流量随着右侧阀片偏转角度增大而增大，由于气体总流量一定，左侧气体流量逐渐减小，两侧气体流量均在右侧阀片角度小于50°时变化较明显，与图7相符。

2.4.3 V型帽与升气槽距离对气体不均匀度的影响保持左侧阀片呈竖直状态，右侧阀片偏转30°，V型帽角度为50°，分别考察了V型帽与升气槽距离为10～50 mm，进口气速为1.2和1.6 m·s−1时，距离V型帽顶端200 mm的隔板右侧横截面上的气体不均匀度(图9)。从图9可以看出，V型帽与升气槽距离对气体不均匀度影响显著。随距离增大，气体不均匀度先减小后增大，在50 mm处达到最大。在V型帽与升气槽距离为20 mm时，气体不均匀度最小，气体分布最均匀。V型帽与升气槽距离过小会使气体流动空间减小，气体在离开V型帽时以较大速度分流到V型帽两侧，从而对分布均匀程度造成影响；与升气槽距离过大会使V型帽对气体的分布作用减弱，使气体不均匀度增大。

图9 V型帽与升气槽距离对气体不均匀度的影响Fig.9 Effect of distance between V-type cap and vapour tube on vapour split

2.4.4 V型帽角度对不同截面气体不均匀度的影响保持左侧阀片呈竖直状态，右侧阀片偏转30°，V型帽与升气槽距离为20 mm，进口气速为1.2 m·s−1,分别考察了V型帽角度为30°～60°时，距离V型帽顶端200 mm（截面1）和300 mm（截面2）的隔板右侧横截面上的气体不均匀度，结果如图10所示。由图10可知，气体不均匀度随着V型帽角度增加先减小后升高，在40°～50°之间较平缓，V型帽角度为50°时达到最小，因此该气体调配装置V型帽角度为50°时对于隔板塔中气体分布最为均匀。这是由于V型帽角度过大或过小均会使分流到V型帽两侧的气体流动方向发生较大变化，对气体分布的均匀程度造成影响。

图10 不同截面的气体不均匀度与Ⅴ型帽角度关系Fig.10 Effect of V-type cap angle on vapour split on different cross sections

3 实验验证

为对模拟结果进行验证，进行了实验研究。实验装置如图11所示，以常温常压空气为实验物系。塔底上升气体由JH-1型离心风机提供，气体总流量由φ6×300 mm的L形皮托管和RE-1211型数值微压计测量。在数值型微压计中输入管道截面积、皮托管系数和空气密度，可直接读出气体速度和流量。流量大小由管道上的阀门控制，气体通过整个系统后在塔体顶端排入大气。左侧升气通道内气体流量也由皮托管及数值微压计测量。为计算气体不均匀度，在隔板右侧距V型帽顶端200和300 mm处各选取一横截面，并分别取均匀分布的35个点测量气体速度，以计算气体不均匀度。测速点的选取方法与图5相同。

保证实验参数与模拟条件相同，并将实验结果与模拟值进行比较。图12所示为进口气速为1.5 m·s−1时，右侧阀片角度对气体分配比的影响。进口气速为1.2 m·s−1时，V型帽与升气槽距离对气体不均匀度的影响如图13所示。表1列出了该气速下V型帽与升气槽距离为50 mm时，测量点的速度值。由图12和图13可知，实验值与模拟值符合良好，验证了模拟的准确性。由于测量及计算存在误差，图13中实验值总体高于模拟值。

图11 实验装置图Fig.11 Experimental apparatus

图12 右侧阀片角度对气体分配比的影响结果比较Fig.12 Comparison of effect of right blade angle on flow rates of two sides

图13 V型帽与升气槽距离对气体不均匀度的影响结果比较Fig.13 Comparison of effect of distance between V-type cap and vapour tube on vapour split

表1 测量点速度Table 1 Velocities of measuring points

4 模拟拓展研究

为了对气体调配装置有更系统的了解，考察了一侧升气槽个数与塔径的关系，结果如图14所示。从图14可以看出，随塔径增大，升气槽个数增多。因为只有保持升气槽面积在塔截面积中占据一定比例，才能实现气体的均匀分布。

图14 升气槽个数与塔径的关系Fig.14 Relationship between vapour tubes and internal diameter

5 结 论

（1）上升气体在两侧升气通道内分流，改变阀片角度的升气通道内气体流动状况较复杂，局部产生了旋涡，两侧气体在分布板的作用下均能均匀地流入升气槽。

（2）在其他条件相同，进口气速分别为1.0和1.5 m·s−1时，气体调配装置均能有效实现两侧升气通道内气体分配比的调节。

（3）V型帽与升气槽的距离显著影响气体的分布特性。在V型帽角度为50°，进口气速分别为1.2和1.6 m·s−1时，V型帽与升气槽的最佳距离均为20 mm。

（4）V型帽角度对气体分布特性有一定影响。在进口气速为1.2 m·s−1，V型帽与升气槽距离为20 mm时，V型帽最佳角度为50°。

（5）该装置还存在一定缺点，当阀片偏转角度大于50°时，调节灵敏度减弱；气体通过该装置时产生涡流，会影响分布均匀性和造成能量损失，后续工作应针对以上问题进行结构优化设计。

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CFD simulation and experimental research on vapour splitter in divided wall column

CHEN Wenyi1,2, SUN Jiao1,2, GE Huaqiang1,2, CHEN Nan3, CHEN Xiangwu4
(1Department of Process Equipment and Control Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China;2Research Center of Engineering Fluid and Process Enhancement,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China;3Semiconductor Manufacturing International(Beijing)Corporation, Beijing100176,China;4Tianjin Lianda Group Co.,Ltd.,Tianjin300270,China)

In order to resolve the problem of controling the vapour split in the divided wall column (DWC), a new vapour splitter was put forward. The study was carried out by using the computational fluid dynamics (CFD) software STAR-CCM+ withk-εturbulence model and SIMPLE method. The split and the nonuniformity of the vapour were researched and compared against experimental data. The relationship between vapour tubes and internal diameter of the column was examined by simulations. Model results and experimental data obtained in this study have revealed that the device can accurately adjust the vapour split and achieve a uniform vapour distribution. The model results were in good agreement with experimental data.

divided wall column; vapour splitter; CFD; distributions; experimental validation

SUN Jiao, sunjiao 2007@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150011

TQ 051;TQ 053. 5

：A

：0438—1157（2015）10—4032—07

2015-01-06收到初稿，2015-03-15收到修改稿。

联系人：孙姣。

：陈文义(1963—)，男，教授。

Received date: 2015-01-06.