精馏塔变径段布局方式研究

陈林凤，冯清付，江振飞，王在良，李伯奎

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安 223002；2.淮阴工学院，江苏省先进制造技术重点实验室，江苏 淮安223003）

0 引言

填料精馏塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，由于生产能力大、分离效率高、压降小、持液量小以及操作弹性大等优点在化工行业得到广泛的应用[1-3]。气液相流量是影响填料层压差的重要因素，当精馏塔各塔段气液相流量的差异不大时，通常会把精馏塔设计成塔径相等的等径馏塔。而如果不同塔段的气液相流量的差异较大时，则往往会考虑将精馏塔设计成直径不等的变径塔[4-5]。不同塔段计算后采用不同的塔径，可以提高热力学性能，避免低负荷操作时出现偏流的情况，提高填料效率。变径段位置主要有4种，如图1所示。通过研究变径段在不同位置时精馏塔内流场分布，为设计人员选择合适的布局方式提供了依据。

图1 变径段位置及类型

1 数学模型

1.1 控制方程

采用标准k-ε模型建立求解精馏塔内流动的数学模型，进行计算时假设气体为可压缩空气，液体为不可压缩水，气、液两相按充分发展的湍流处理，入口边界条件采用恒速度入口，出口边界条件采用恒压力出口，壁面边界壁面条件设为绝热无滑移。其控制方程如下：

质量守恒方程为：

其中，τij——应力张量。

1.2 模型选择

标准k-ε湍流模型是目前应用非常广泛的两相流模型，因为其简单、精度较高等优点，在流场分析中备受应用。标准k-ε湍流模型能够获得较为精确的结果。

动量守恒方程：

式中，Gk——为湍流动能生成；

Gb——为浮力产生项；

σε、σk——分别代表ε和k的Prandtl湍流常数；Sε和Sk——为自定义函数。

2 物理模型

2.1 采用的物理模型

气、液两相按充分发展的湍流处理，入口边界条件采用恒速度入口，出口边界条件采用恒压力出口，壁面边界壁面条件设为绝热无滑移。做气相单向流模拟时，底部为进口，上部为出口，做液相单相流模拟时，上部为进口，底部为出口，建立了包括变径段筒体在内的物理模型，如图2所示。

图2 物理模型

2.2 网格划分

建模型导入ICEMCFD中进行网格划分，填料部分采用多孔介质模型代替，划分时进行加密处理，最终得到的网格划分图如图3所示。

图3 网格划分图

3 数值模拟结果

3.1 气相单向流下但内流场分布情况

图4为气相单向流作用下塔内速度云图，从（a）、（d）两个云图可以看出，在变径段上方，精馏塔壁面处气相速度最小，由于速度和阻力成正比关系，因此，变径段筒体采用（a）、（d）图布局方式，导致的壁流效应较大，严重影响精馏塔分离效率。而（b）、（c）图壁面处气相速度最大，在一定程度上能够起到减少壁流的作用。

图4 气相单向流下塔内速度云图

图5为气相单向流作用下塔内压力云图，变径段上（下）方，（a）、（b）、（c）、（d）云图气相压力变化都比较均匀。总体上，由下到上看，（a）图气相压力变化：小→大→小；（b）、（c）云图气相压力变化：大→小，（d）云图气相压力变化：大→小→大；显然（a）、（d）图气相压力波动较大，会对精馏塔分离效率产生较大影响，而（b）、（c）、图气相压力变化较为均匀，波动较小。

图5 气相单向流下塔内压力云图

3.2 液相单向流下塔内流场分布情况

图6 为液相单向流作用下塔内速度云图，在变径段上方，（e）、（f）、（g）、（h）的速度变化都比较均匀，液体对壁面的作用效果基本相似；在变径段下方，（g）图壁面液相速度小，相同时间壁流较小，同时由于塔径的突然变大，使得塔上方落下的液体绝大多数向塔内部靠拢，也能起到减少壁流的作用；（h）图壁面液相速度大，相同时间壁流大，液体壁流效应严重，同时由于塔径突然变小，液体流通通道受阻，进一步加剧液体壁流。

图6 液相单向流下塔内速度云图

图7 为液相单向流作用下塔内速度云图，变径段上（下）方，（e）、（f）、（g）、（h）云图压力变化都比较均匀。总体由上到下看，（e）、（h）图液相压力变化：大→小；（f）、（g）云图液相压力变化：大→小→大；显然（g）、（h）图液相压力波动较大，会对精馏塔分离效率产生较大影响，而（e）、（h）图气相压力变化较为均匀，波动较小。

图7 液相单向流下塔内压力云图

4 结论

通过本文的研究得到以下结论：

（1）气相单向流作用下，对于变径段大端朝上的布局方式，变径段上方壁面壁流效应严重，总体压力波动较大，对精馏塔分离效率影响大，而变径段大端朝下的布局的方式，能够有效减少壁流，并且总体压力波动较小。

（2）液相单向流作用下，对于变径段大端朝上的布局方式，变径段下方壁面壁流效应严重，压力波动较小，而变径段大端朝下的布局的方式，能够有效减少壁流，但是总体压力波动较大。

总体而言，采用变径段采用大端朝下的布局方式比大端朝上的布局方式，在减少壁流效应以及压力变化均匀性方面要好。