精馏塔变径段布局方式研究

精馏塔变径段布局方式研究陈林凤1，冯清付2，江振飞2，王在良1，李伯奎22.淮阴工学院袁江苏省先进制造技术重点实验室袁江苏淮安223003冤

摘

要：对于塔径较大的塔袁通常需要采用变径的方式来改善塔内速度和压力的分布袁采用fluent软件对四种变径段布局方式下精馏塔内的流场分布进行了数值模拟袁计算结果表明院总体而言袁对于气液两相接触的精馏塔袁变径段采用大端朝下的布局方式比大端朝上的布局方式袁在减少壁流效应以及压力变化均匀性方面要好遥关键词：变径段曰壁流曰压力变化中图分类号：TH111

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2019）04-0135-04

渊1.江苏科圣化工机械有限公司袁江苏淮安223002曰

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袁由于生产能力大尧分离效率高尧压降小尧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]遥气液相流量是影响填料层压差的重要因素袁当精馏塔各塔段气液相流量的差异不大时袁通常会把精馏塔设计成塔径相等的等径馏塔遥而如果不同塔段的气液相流量的差异较大时袁则往往会考虑将精馏塔设计成直径不等的变径塔

[4-5]1数学模型

1.1控制方程

采用标准k-着模型建立求解精馏塔内流动的数学模型袁进行计算时假设气体为可压缩空气袁液体为不可压缩水袁气尧液两相按充分发展的湍流处理袁入口边界条件采用恒速度入口袁出口边界条件采用恒压力出口袁壁面边界壁面条件设为绝热无滑移遥其控制方程如下院

质量守恒方程为院

鄣u+鄣v+鄣w=0

鄣y鄣z鄣x渊1冤

遥

不同塔段计算后采用不同的塔径袁可以提高热力学性能袁避免低负荷操作时出现偏流的情况袁提高填料效率遥变径段位置主要有4种袁如图1所示遥通过研究变径段在不同位置时精馏塔内流场分布袁为设计人员选择合适的布局方式提供了依据遥

鄣渊籽滋冤+鄣渊籽滋滋冤=-鄣p+鄣子ij+籽g+F渊iijii2冤

鄣xt鄣xj鄣xi鄣xj其中袁子ij要要要应力张量遥1.2模型选择

动量守恒方程院

填料

填料

填料

变径段筒体

填料变径段

筒体

标准k-着湍流模型是目前应用非常广泛的两相流模型袁因为其简单尧精度较高等优点袁在流场分析中备受应用遥标准k-着湍流模型能够获得较为精确的结果遥

扇设设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设设墒

填料

变径段筒体

变径段筒体

填料

鄣渊籽k冤+鄣渊籽k滋i冤=鄣鄣t鄣xi鄣xjGk+Gb+籽着-YM+Sk鄣渊籽着冤+鄣渊籽着滋i冤=鄣滋+滋t滓着鄣t鄣xi鄣xj滋鄣k蔀鄣x蓡+蓘蓸滋+滓tkjabcd

2G1着着渊Gk+G3着Gb冤-G2着籽着+S着kk蓘蓸鄣着蔀鄣蓡+xj图1变径段位置及类型

收稿日期：2019-01-21作者简介：陈林凤渊1986-冤袁女袁江苏人袁从事工作院压力容器设计遥通讯作者：冯清付渊1992-冤袁男袁广西人袁硕士研究生袁研究方向院化工装备设计与制造遥

渊3冤

135

EquipmentManufacturingTechnologyNo.04袁2019式中袁Gk要要要为湍流动能生成曰

Gb要要要为浮力产生项曰

滓着尧滓k要要要要要要分为别自代定表义着函和数k遥

的Prandtl湍流常数曰

S着和Sk2物理模型

2.1采用的物理模型

气尧液两相按充分发展的湍流处理袁入口边界条件采用恒速度入口袁出口边界条件采用恒压力出口袁壁面边界壁面条件设为绝热无滑移遥做气相单向流模拟时袁底部为进口袁上部为出口袁做液相单相流模拟时袁上部为进口袁底部为出口袁建立了包括变径段筒体在内的物理模型袁如图2所示遥

填料

填料

变径段筒体变径段筒体渊a冤

渊b冤

填料

变径段筒体变径段筒体

填料

填料

渊c冤渊d冤

图2物理模型

2.2网格划分

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

136

渊a冤

渊b冤

渊c冤

渊d冤

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袁从a冤尧渊d冤两个云图可以看出袁在变径段上方袁精馏塔壁面处气相速度最小袁由于速度和阻力成正比关系袁因此袁变径段筒体采用渊a冤尧渊d冤图布局方式袁导致的壁流效应较大袁严重影响精馏塔分离效率遥而渊b冤尧c冤图壁面处气相速度最大袁在一定程度上能够起到减少壁流的作用遥

3.00e+00

2.85e+00ANSYS2.70e+002.55e+00R15.0

5.83e+005.54e+005.25e+00ANSYS2.40e+004.96e+00R15.0

2.25e+004.67e+002.10e+004.38e+001.95e+004.08e+001.80e+003.79e+001.65e+003.50e+001.50e+003.21e+001.35e+002.92e+001.20e+002.63e+001.05e+002.33e+009.00e-012.04e+007.50e-011.75e+006.00e-011.46e+004.50e-011.17e+003.00e-018.75e-011.50e-015.83e-010.00e+00Z

Y

2.92e-01渊a冤

0.00e+00Z

Y

5.90e+005.60e+005.31e+00ANSYS渊b冤

5.01e+00R15.0

3.23e+003.07e+004.72e+002.91e+00ANSYS4.42e+002.75e+00R15.0

4.13e+002.58e+003.83e+002.42e+003.54e+002.26e+003.24e+002.10e+002.95e+001.94e+002.65e+001.78e+002.36e+001.61e+002.06e+001.45e+001.77e+001.29e+001.47e+001.13e+001.18e+009.69e-018.85e-018.07e-015.90e-016.46e-012.95e-010.00e+00

Z

Y

4.84e-013.23e-011.61e-01Y

渊c冤0.00e+00

Z

渊d冤

图4气相单向流下塔内速度云图

渊渊图5为气相单向流作用下塔内压力云图袁变径段上渊下冤方袁渊a冤尧渊b冤尧渊c冤尧渊d冤云图气相压力变化都比较均匀遥总体上袁由下到上看袁渊a冤图气相压力变化院小寅大寅小曰渊b冤尧渊c冤云图气相压力变化院大寅小袁渊d冤云图气相压力变化院大寅小寅大曰显然渊a冤尧渊d冤图气相压力波动较大袁会对精馏塔分离效率产生较大影响袁而渊b冤尧渊c冤尧图气相压力变化较为均匀袁波动较小遥

2.45e-01

5.76e-02ANSYS-1.30e-01ANSYS-3.18e-01R15.0

1.75e+011.66e+01R15.0

-5.06e-011.57e+01-6.94e-011.48e+01-8.82e-011.39e+01-1.07e+001.30e+01-1.26e+001.21e+01-1.45e+001.12e+01-1.63e+001.02e+01-1.82e+009.33e+00-2.01e+008.42e+00-2.20e+007.51e+00-2.39e+006.60e+00-2.57e+005.69e+00-2.76e+004.78e+00-2.95e+003.87e+00-3.14e+002.96e+00-3.32e+002.05e+00-3.51e+00Z

Y

1.14e+002.27e-01-6.84e-01Z

Y

渊a冤

1.52e+011.45e+01ANSYS渊b冤

1.37e+011.29e+01R15.0

5.64e-02-9.95e-021.21e+01-2.55e-01ANSYS1.14e+01-4.11e-01R15.0

1.06e+01-5.67e-019.82e+00-7.23e-019.05e+00-8.79e-018.28e+00-1.03e+007.50e+00-1.19e+006.73e+00-1.35e+005.96e+00-1.50e+005.19e+00-1.66e+004.42e+00-1.81e+003.65e+00-1.97e+002.87e+00-2.13e+002.10e+00-2.28e+001.33e+00-2.44e+005.59e-01-2.13e-01

Z

Y

-2.50e+00-2.75e+00-2.90e+00-3.06e+00

Z

Y

渊c冤渊d冤

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袁在变径段上方袁渊e冤尧渊f冤尧渊g冤尧渊h冤的速度变化都比较均匀袁液体对壁面的作用效果基本相似曰在变径段下方袁渊g冤图壁面液相速度小袁相同时间壁流较小袁同时由于塔径的突然变大袁使得塔上方落下的液体绝大多数向塔内部靠拢袁也能起到减少壁流的作用曰渊h冤图壁面液相速度大袁相同时间壁流大袁液体壁流效应严重袁同时由于塔径突然变小袁液体流通通道受阻袁进一步加剧液体壁流遥

叶装备制造技术曳2019年第04期

7.98e+004.73e+00ANSYS4.48e+004.23e+00R15.0

3.20e+003.04e+003.98e+002.88e+00ANSYS3.73e+002.72e+00R15.0

3.48e+002.56e+003.24e+002.40e+002.99e+002.24e+002.74e+002.08e+002.49e+001.92e+002.24e+001.76e+001.99e+001.60e+001.74e+001.44e+001.49e+001.28e+001.24e+001.12e+009.96e-019.59e-017.47e-017.99e-014.98e-016.40e-012.49e-01Y

0.00e+00Z

Y

4.80e-013.20e-011.60e-013.20e+00渊e冤

0.00e+00Z

3.04e+002.88e+00ANSYS5.43e+01渊f冤

2.72e+00R15.0

5.16e+01ANSYSR15.0

2.56e+004.89e+012.40e+004.61e+012.24e+004.34e+002.08e+004.07e+001.92e+003.80e+001.76e+003.53e+001.60e+003.26e+001.44e+002.99e+001.28e+002.71e+001.12e+002.44e+009.59e-012.17e+007.99e-011.90e+006.40e-011.63e+004.80e-011.36e+003.20e-011.09e+001.60e-01Z

Y

8.14e-010.00e+00

5.43e-012.71e-010.00e+00

Z

Y

渊g冤渊h冤

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袁变径段上渊下冤方袁渊e冤尧渊f冤尧渊g冤尧渊h冤云图压力变化都比较均匀遥总体由上到下看袁渊e冤尧渊h冤图液相压力变化院大寅小曰渊f冤尧渊g冤云图液相压力变化院大寅小寅大曰显然渊g冤尧渊h冤图液相压力波动较大袁会对精馏塔分离效率产生较大影响袁而渊e冤尧渊h冤图气相压力变化较为均

匀袁波动较小遥

9.76e+00

9.28e+008.79e+00ANSYS8.30e+00R15.0

0.00e+00

-1.43e+00ANSYS7.81e+00-2.86e-017.32e+00-4.29e-01R15.0

6.83e+00-5.72e-016.35e+00-7.15e-015.86e+00-8.58e-015.37e+00-1.00e+004.88e+00-1.14e+004.39e+00-1.29e+003.91e+00-1.43e+003.42e+00-1.57e+002.93e+00-1.72e+002.44e+00-1.86e+001.95e+00-2.00e+001.46e+00-2.15e+009.76e-01-2.29e+004.88e-010.00e+00Z

Y

-2.43e+00-2.57e+00-2.72e+00Z

Y

渊e冤

-2.86e+006.41e-04-1.81e-01ANSYS渊f冤

-3.62e-01R15.0

1.20e+01ANSYS-5.43e-011.14e+01R15.0

-7.24e-011.08e+01-9.05e-011.02e+01-1.09e+009.63e+00-1.27e+009.02e+00-1.45e+008.42e+00-1.63e+007.82e+00-1.81e+007.22e+00-1.99e+006.62e+00-2.17e+006.02e+00-2.35e+005.41e+00-2.54e+004.81e+00-2.72e+004.21e+00-2.90e+003.61e+00-3.08e+003.01e+00-3.26e+002.41e+00-3.44e+001.80e+00-3.62e+00

1.20e+00Y

Z

Y

6.02e-01Z

渊g冤0.00e+00

渊h冤

图7液相单向流下塔内压力云图

137

EquipmentManufacturingTechnologyNo.04袁20194结论

通过本文的研究得到以下结论院

渊1冤气相单向流作用下袁对于变径段大端朝上的布局方式袁变径段上方壁面壁流效应严重袁总体压力波动较大袁对精馏塔分离效率影响大袁而变径段大端朝下的布局的方式袁能够有效减少壁流袁并且总体压力波动较小遥

渊2冤液相单向流作用下袁对于变径段大端朝上的布局方式袁变径段下方壁面壁流效应严重袁压力波动较小袁而变径段大端朝下的布局的方式袁能够有效减少壁流袁但是总体压力波动较大遥

总体而言袁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袁在减少壁流效应以及压

力变化均匀性方面要好遥

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Technology袁JiangsuKeyLabofAdvancedManufacturingTechnology袁HuaianJiangsu223003袁China冤

渊1.JiangsuKeshengChemicalMachineryCo.袁Ltd.袁HuaianJiangsu223002袁China;2.HuaiyinInstituteof

CHENLin-fen1袁FENGQing-fu2袁JIANGZhen-fei2袁WANGZai-liang1袁LiBo-kui2StudyonDistillationColumnVariableDiameterSectionLayout

Abstract：Forthetowerwithlargerdiameter袁itisusuallynecessarytoimprovethevelocityandpressure

distributioninthetowerbychangingthediameter.Theflowfielddistributioninthedistillationcolumnwithfourdifferentsizesissimulatedbyusingfluentsoftware.Theresultsshowthat袁ingeneral袁forthedistillationcolumnwithlargeend-up.Itisbetterinreducingwallfloweffectanduniformityofpressurechange.Keywords：variablesection曰wallflow曰pressurechange

withgas-liquidtwo-phasecontact袁thelayoutofthesizingsectionwithlargeend-downismoresquarethanthat

138