加氢反应器气液分配盘数值模拟

范 勇，荣 蕾，聂永广，范书虎，周 琳

1.中国石油管道局工程有限公司设计分公司，河北 廊坊 065000；

2.中石油北京天然气管道有限公司华北储气库分公司，河北 廊坊 065000；

3.新奥科技发展有限公司，河北 廊坊 065000

加氢反应器气液分配盘数值模拟

范 勇1，荣 蕾2，聂永广3，范书虎1，周 琳1

1.中国石油管道局工程有限公司设计分公司，河北 廊坊 065000；

2.中石油北京天然气管道有限公司华北储气库分公司，河北 廊坊 065000；

3.新奥科技发展有限公司，河北 廊坊 065000

以加氢反应器UOC（Union Oil Company）型气液分配盘为对象，利用计算流体力学（CFD）方法对分配盘内的气液两相流动进行了研究。根据某工厂数据确定了分配盘的几何尺寸，应用原油和氢气为介质，使用群体平衡模型（PBM）等多种计算模型进行计算。计算结果表明，UOC型气液分配盘是依据分配盘上单个分配器的内外压力差作为动力，氢气与原油在分配器内外进行充分的碰撞，达到混合及分配效果。原油通过分配盘后以多个点状峰值状态存在，分配器存在中心聚集现象，消除分配器的中心汇聚现象为其结构改进的主要方向。

加氢反应器 模拟计算 气液分配器 群体平衡模型

加氢裂化装置主要有固定床、沸腾床、移动床和悬浮床加氢裂化装置。从近几年国内的应用情况来看，固定床加氢裂化装置约占83%，沸腾床加氢裂化装置约占15%，移动床加氢裂化装置约占2%，悬浮床加氢裂化装置目前还处在工业应用的初级阶段[1,2]。固定床加氢反应器是固定床加氢裂化装置的核心设备，其工作条件苛刻，制造困难且价格昂贵，且其内部反应物料的分布和混合情况直接影响着加氢裂化装置的生产效率。

固定床加氢反应器的内部通常设置有入口扩散器、气液分配盘、积垢篮筐、冷氢箱、催化剂床层和出口收集器等内部构件。其中，气液分配盘是加氢反应器内起气液分配作用的关键内构件。气液分配盘内的气液两相流动较为复杂，目前国内外报道中多为对气液分配盘单个气液分配器的实验与模拟研究，对整个分配盘内气液流动的研究甚少。本工作采用 FLUENT软件对国内加氢反应器内应用较多的UOC（Union Oil Company）型气液分配盘进行了全尺寸数值模拟计算，通过数值模拟的方法来研究分配盘内气液流动及分布状况，为进一步的结构优化指明方向。

1 数学模型

1.1 反应器内多相流动的数学模型

反应器内流体的流动情况都是以质量、动量和能量这3大守恒定律来作为基础的[3]。本工作的计算中仅考虑流体的流动，未考虑流体的传热及反应，因此流体在欧拉坐标下需满足以下基本方程。

质量守恒方程：

式中：αk为第k相体积分率；ρk为第k相的密度，kg/m3；uk为第k相的速率，m/s。

反应器内的流动系统都必须遵守的基本定律之一就是动量守恒定律。遵照这一定律，可以推导出x，y和z 3个方向上的动量守恒方程，也称之为Navier-Stokes方程，通常简称为N-S方程：

式中：P为反应器内的压力，Pa；τk为第 k相的应力张量，N·m2；g为重力加速度，m/s2；Fjk为j与k相之间的动量交换系数，N/m3。

2 几何模型、边界条件及求解方法

2.1 几何模型

UOC型气液分配盘主要由塔盘、下降管和均布在塔盘上的分配器组成[4-6]。气液分配盘的作用是将气液两相物料进行充分混合后均匀分散到催化剂床层上，单个分配器的结构如图1所示，其中分配器上均布着多条齿缝，采用齿缝数为6条。

图1 分配器结构简图及均布方式Fig.1 The distributor structure and arrangement

工业中根据反应器直径的不同，将分配盘上的分配器分为两种基本结构（尺寸参数见表1），其目的是保证分配盘上的开孔率，也就是保持一定的塔盘压降，同时使气液两相反应物料均匀地分配到整个催化剂床层横截面上[4]。

表1 分配器结构尺寸表Table 1 Dimension of structure for distributor

本工作研究对象为第二种结构尺寸的分配器，分配器在塔盘上呈正三角形均布，两个分配器的中心间距为140 mm，在整个塔盘上排列着65个分配器，计算得出塔盘上的开孔率为14.02%，符合通常使用13%～15%的要求。

气液分配盘区域的几何模型如图2所示，气液两相反应物料从上部的进口进入气液分配盘区域，然后经过分配盘的混合和分配作用到达塔板下方，从出口流出。本区域的计算网格全部采用了3维结构化网格，计算的网格数目为305 760，计算区域的网格图如图3所示。

图2 气液分配盘区域几何模型Fig.2 Geometrical model of gas-liquid distribution plate

图3 计算网格Fig.3 Calculation mesh

2.2 边界条件和求解方法

计算区域的入口采用速度入口边界条件，如式（3）所示；出口则采用充分发展的出口边界条件。

式中：G为整个反应器的年处理量，t；ρinlet为进口处物料的密度，kg/m3；uinlet为进口处物料的速度，m/s。

对于原料的密度和黏度，采用文献[7-9]中高温高压下油品密度和黏度的经验公式进行计算：

式中：T为反应温度，K；P为操作压力，Pa；ρ0是标准状态下（273.15 K，101 325 Pa）的密度，kg/m3；ΔPρ是因压力变化而引起的密度变化量；ΔTρ是因温度变化而引起的密度变化量。计算流体分别为氢气及原油，氢气及原油的物性参数，如表2所示。

表2 原料物性及操作参数Table 2 Properties of raw materials and operating parameters

计算过程中将第一相设置为氢气相，第二相设置为油品相，采用欧拉双流体模型，湍流计算方法选用标准k-ε模型。

进口设置为速度入口，出口设置为压力出口；进口和出口处的湍流指定方法均使用的是湍流强度和水力直径数值：采用3维非稳态方法进行计算，时间步长设置为0.005 s；压力和速度的耦合方法采用SIMPLE算法[3,10]。

3 结果分析

3.1 压力云图分析

X为0截面是穿过分配器齿缝处的一个剖面，Z为100 mm平面是距离塔板顶部100 mm贯穿分配器齿缝的一个横截面。图4为计算区域在X为0截面的压力分布云图，图5是Z为100 mm平面的压力分布云图。由图4和5可清晰看到，塔板上部的分布塔盘的压力变化主要分为3个层次，从分配器外、中间环形区域和中心下降管依次降低，这种变化趋势在塔盘上的65个分配器上都得到了体现。从图5可看出，在每个分配器的中间环形区域，均有6小片压力值较高的区域，在齿缝处气相占据了大部分的通道，气相从齿缝处冲进中间环形区域引起局部压力值的升高。每个分配器上均匀地分布着6道齿缝，所以在每个环形区域中出现了6小片压力值较高的区域，分配器内外的压力差是气液两相流动的动力。

图4 X为0截面压力云Fig.4 Pressure contour at X=0 surface

图5 Z为100 mm截面压力分布云Fig.5 Pressure contour at Z=100 mm surface

3.2 流场分析

图6是X为0截面的气相速度云图，图7为选取的单个分配器齿缝剖面处的气相速度矢量放大图。

图6 X为0截面气相速度云Fig.6 Gas velocity at X=0 surface

图7 X为0截面上单个分配器处气相速度矢量Fig.7 Gas velocity vectors of single distributor at X=0 surface

由图6和7可以看出，气相到达分配盘区域后，由于流通面积的减小，速度在各处都有不同程度的增大，在每个齿缝的下沿附近，速度出现了极大值。气相进入计算区域后先向下流动，到达分配器区域后，遇到分配器的上顶面的阻挡而向分配器两侧流动，沿着分配器外壁面向下流动。当气相到达齿缝处后，由于存在压力差，气相向中间的环形区域流动，同时由于流通面积变小，速度变大，此后再沿着下降管外壁面爬升到达分布器上部区域，速度转向180°后向下，最后沿着下降管向下流动。

Z为100 mm平面上单个分配器气液相速度分布局部放大云图如图8。左侧图为气相速度分布云图，右侧图为液相速度分布云图。气液相均在分配器内外出现了速度的剧烈变化，分配器外气相速度较大，气相携带液相运动，分配器下降管中液相速度较大，液相的运动又推动了气相的运动，气液相在分配器内进行了比较充分的混合，而这种混合也有利于加氢反应器在催化床层内的充分反应。

图8 Z为100 mm截面气、液相速度分布局部云Fig.8 Gas and liquid velocity partial contour at Z=100 mm surface

3.3 体积分率云图分析

图9为采用双流体模型时，计算区域在X为0截面的液相体积分率云图。由图可知，液相进入计算区域后，并不会直接通过分配塔盘进入塔板下方，首先在塔板上进行积累，当积累到一定高度后，没过分配器齿缝的下边缘，液相被从齿缝进入中间环形区域的气相携带，沿着下降管外壁开始上升，可以看到分配器下降管外壁下侧积累了大量的液相，气相携带液相到达下降管上侧后，转向 180°向下流动，此时在分配器转向处会有大量的液相积累，最后所有的液相会在分配器下降管中心处汇集碰撞，向下流动。每个分配器在塔板下方形成了一个液相聚集的峰值，对于本次模拟计算的气液分配盘，液相在塔板下方形成了65个点状峰值，本类型的气液分配盘实现了一定的气液分配效果。同时还可以看出，此种类型的气液分配器存在中心聚集现象，需要进行结构改进来减弱中心汇聚现象。

图9 X为0截面上液相体积分率云Fig.9 Liquid volume fraction at X=0 surface

3.4 使用群体平衡模型进行多相流计算

加氢反应器气液分配盘在进行工作时，会存在将大液滴吹散变成小液滴，同时也会出现小液滴聚集并形成大液滴的现象，使得在流动过程中存在多种直径大小的液滴，为了实现液相多种液滴直径的计算，本工作在计算中采用了PBM模型（群体平衡模型）来考虑液滴破碎和聚并问题[11]。图10为采用PBM模型计算得到的X为0截面上的液相体积分率云图。由图10可知，液相通过UOC型气液分配盘时，液相的聚并和破碎现象没有影响到液相在分配器下降管中间的汇聚，液相中心汇聚现象仍然占据主导地位。这种计算结果与采用单液滴直径的计算结果是一致的。在模拟计算时采用PBM模型的计算量较大，对网格要求高，且计算容易发散。因此在之后进行模拟计算时，使用单一液滴直径也能够描述UOC型气液分配盘的气液分配现象。消除分配器下降管中的中心汇集现象是进行UOC型气液分配盘结构改进的一个主要方向。

图10 使用PBM模型计算得到的 X为0截面液相体积分率云Fig.10 Liquid volume fraction contour at X=0 surface

4 结 论

本工作对目前固定床加氢反应器应用较多的UOC型气液分配盘进行了研究。模拟结果清晰地描述出UOC型气液分配塔盘内压力、速度和液相体积分率的分布情况，这些变化情况与工业现场的UOC型气液分配盘实际现象相同，从而得到使用FLUENT软件对UOC型气液分配盘进行研究是可行的。计算结果显示，在UOC型气液分配盘中，原油在每一个分配器的下降管区域出现了较为严重的中心汇集现象，导致每一个分配器中心区域液相体积分率较高，四周较低。原油和氢气通过气液分配盘后产生了一定的气液分配效果，通过分配盘后液相以点状峰值状态存在，不利于之后在反应器内进行的催化反应，因此消除此类型分配器的中心汇聚现象为其进行结构改进的主要方向。

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Numerical Simulation of Gas-Liquid Distribution Plate in Hydrogenation Reactor

Fan Yong1，Rong Lei2，Nie Yongguang3，Fan Shuhu1，Zhou Lin1
1.China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co Ltd, Langfang 065000, China;
2.Petro China Beijing Natural Gas Pipeline Co Ltd, Huabei Branch Company, Langfang 065000, China;
3.ENN Technology Development Co, Langfang 065000, China

The Computational Fluid Dynamics (CFD) method was used to study the gas-liquid two-phase flow in the Union Oil Company (UOC) type distribution plate of the hydrogenation reactor.According to the data of a factory, the geometric dimensions of the distribution plate were determined and the calculations were completed using the Population Balance Model (PBM) and other calculation models with the crude oil and hydrogen gas as medium.The results showed that UOC gas-liquid distributor was driven by the difference of the internal and external pressure of the distributor on the distribution plate, and the hydrogen and the crude oil were fully collided inside and outside of the distribution plate to mix and distribute.The crude oil existed in many dot-like peak spots after the oil passed through the distribution plate and the central agglomeration phenomenon was observed.Eliminating the central convergence phenomenon of the distributor would be the main direction of its structural improvement.

hydrogenation reactor; simulation calculation; gas-liquid distributor; population balance model

TE966

A

1001—7631 ( 2017 ) 04—0349—07

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.04.0349.07

2017-07-10；

2017-07-24。

范 勇（1984—），男，硕士，工程师。E-mail: 309993356@qq.com。