十字挡板型进料分布器结构优化研究

第23卷第4期石油化工高等学校学报Vol.23No.42010年12月JOURNALOFPETROCHEMICALUNIVERSITIESDec.2010:1006-396X(2010)04-0073-03张龙,齐慧敏,李欣(抚顺石油化工研究院,辽宁抚顺113001):采用三维模型借助流体力学模拟软件CFX对开发的十字挡板型进料分布器进行了系统的模拟。重点分析了内套筒上盖板尺寸对进料分布器气体分布均匀度的影响,研究了导流板数量、大小对进料分布器雾沫夹带性能及过程压降的影响。确定出了性能优良的十字挡板型进料分布器结构参数,为进料分布器的结构优化提供指导。:减压塔;十字挡板型进料分布器;模拟:TQ051.1:Adoi:10.3696/j.issn.1006-396X.2010.04.017StructuralOptimizationofCross-ShapedBafflerFeedingDistributorZHANGLong,QIHui-min,LIXin(FushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals,FushunLiaoning113001,P.R.China)Received5September2010;revised12October2010;accepted15October2010Abstract:Usingthree-dimensionalmodel,thecross-shapedbafflerdistributorwassystematicallysimulatedbyCFXfluidmechanicsmodelingsoftware.Theimpactofsizeofuponcoverofinnersleeveondegreeofuniformityofgasdistributionoffeedingdistributorwasemphasized.Meantime,theimpactofthenumberandsizeofguideplateonperformanceofentrainmentandpressuredropofthedistributorwasresearched.Atlast,thestructuralparametersofexcellentperformancedcross-shapedbafflerdistributorwasconfirmedandsoastosupportdirectionforstructuraloptimizationofthedistributor.Keywords:Vacuumtower;Cross-shapedbafflerfeedingdistributor;SimulationCorrespondingauthor.Tel.:[phone];fax:[phone];e-mail:[e-mail]随着石油炼厂加工规模的不断扩大和对常减压蒸馏装置减压深拔要求的不断提高,高空隙率、低压力降的新型填料被广泛应用于原油常减压装置大直径、浅床层的减压塔[1-2]。而塔进料分布器作为填料塔重要的内构件,其性能的优劣直接影响减压塔的正常操作及产品质量[3],进而限制了减压塔深拔操作。为此,国内外研究人员对减压塔进料分布器进行了深入的研究,研发出了多种新型进料分布器。但现有的进料分布器虽能满足气体均匀分布的目的,但存在着分布器上升气体漩流大、漩涡多,上升气体雾沫夹带严重,气体流过压降较大等缺点。本文采用三维模型借助流体力学模拟软件CFX对开发的十字挡板型进料分布器进行了系统的模拟。重:2010-09-05:张龙(1973-),男,甘肃张掖市,高级工程师,硕士。:中国石化股份公司资助项目(SJ0902)。点分析了内套筒上盖板尺寸和导流板数量、大小对分布器性能的影响,为分布器的结构优化提供指导。1分布器结构通常的填料减压塔的直径在2~12m,而据减压塔资料[4],进料管(转油线)内气液为环状流,当入口风速20m/s分布器入口气液呈环状喷雾流。根据文献[5],液气质量比为1.0~1.4,此时模型的雷诺数Re超过临界雷诺数Re的4倍,再增加雷诺数Re而引起的流动状况和摩擦因数的变化很小,即雷诺数Re充分大时,雷诺数Re本身的影响可以忽略,达到自动模化。认为模型试验和工业装置的流动相似。所选塔径为1.2m,分布器高度为250mm,进料口240mm,导流板位于塔壁和内套筒的环形空间,沿进料中心线在塔径向对称分布,其轴向高度成等差序列。环形空间的上方用盖板进行封闭,分布器结构如图1所示,按图1结构进行模拟计算。Fig.1Geometryofcross-shapedfeedingdistributor12分布器性能评价性能优良的塔进料分布器应主要满足下列要求[6]:(1)分布均匀;(2)雾沫夹带少;(3)过程压降低。按照上述要求,对塔进料分布器的性能评价基于三个方面[7]。2.1气体分布均匀性能以气体分布不均匀度M表示,M表达了塔截面上上升气体速度分布情况:M=1nni=1u1-uu2其中,n-测速点数;u-塔平均风速,m/s;u=ni=1ui(R2i-R2i-1)/(4R2),m/s;Ri-测点半径,m;ui-i点风速,m/s。i点风速ui以热线风速议或激光测速仪测定,从而求得一截面上的风速分布不均匀度M,当M0.4时,说明分布器气体分布均匀。2.2分布器雾沫夹带的多少以雾沫夹带率ev来表示,ev=LV100%其中,L-除沫收集器的液沫量,kg/s;V-进塔空气量,kg/s。雾沫夹带率ev0.6说明分布器液沫夹带少。L以旋流板除沫收集器收集的液体质量差来测得。2.3分布器压降p以混合进料在分布器入口前和分布器后的压差来表示,用U型管水柱差压计来测得。p40Pa为合格。3模拟设置3.1根据减压塔进料状态,本模拟实验以25!空气与水为介质,水气质量比在1.0~1.4,水气两相均为连续相。计算模型采用标准k-双方程湍流模型[8-9]。其中湍动能k和由下式确定:湍动能k=!u2湍动能耗散率=Cdk1.5∀d在模拟计算中,取常数!=0.05,∀=0.05,d为进料分布器入口管道直径。3.2(1)入口条件取分布器进料管入口气相质量流速u=1.3167kg/s。(2)出口条件气相出口按照减压塔压力分布状况设定压力为一定值,液相出口设定为一定的质量流率。3.3因为靠近边壁的区域速度梯度很大,这一区域的厚度与整个分布器计算域的直径相比可以忽略不计,模拟计算时采用标准壁函数进行处理。4模拟计算结果对比采用25!空气与水为介质进行两相流模拟计算,空气与水采用连续相。计算模型采用标准k-双方程湍流模型。优化前后分布器结构尺寸如图2所示,其中优化前分布器环形盖板宽度为300mm,分布器高度350mm,沿进料方向在塔壁和内套筒的环形空间对称设置六个导流板,导流板高度从进料口沿环形空间逐渐以等差序列变化。在模拟基础上对分布器环形盖板的宽度和分布器的高度进行了优化,同时对沿进料方向对称分布的导流板高度进行了调整。Fig.2Geometryofdistributorbeforeandafteroptimization24.1气体分布均匀性能取优化前后分布器进料口水74石油化工高等学校学报第23卷平截面气体速度分布图(如图3所示)来加以对比。优化前气体在塔壁和内套筒的环形通道内流动形态非常不均一,气流在进入分布器初主要集中在内套筒外周,流场不均匀度M偏高,运动过塔径向中心线后形成了对塔壁的冲击,气流贴近塔壁,湍流区面积较小。折返向上后气流在内套筒内形成了局部的高速区;优化后气流在进入分布器后在整个环形流道内形成了比较均匀的湍流区,而随着环形通道导流板高度的逐渐变化和物流湍动能量的逐渐减小,气流过分布器径向中心线后流速减弱。折返到内套筒内气流分布相对均匀,分布不均匀度M很小。Fig.3Distributiondiagramofgasspeedonhorizontalsectionbeforeandafteroptimization3由此可以得出,流体在分布器环形通道内的流态不仅与环形通道的内部结构即导流板的结构和数量有关,更主要取决于环形通道即环形盖板的宽度,盖板宽度过大极易在塔壁附近形成回流或产生死区,使得流场不均匀度M过高,对流场均布造成负面作用;过小造成流体在塔内湍流区中心偏后,湍流区面积变小,从而使流场不均匀度M偏高。因此,分布器盖板宽度对分布均匀度的影响是巨大的,优化适宜的盖板宽度对塔内流场的分布均匀,分布器的综合性能具有重要的影响。4.2雾沫夹带以分布器垂直平面液体分率图(见图4)和进料口水平截面液体分率图(见图5)来加以说明。图4为优化前后分布器垂直平面液体分布图,其中红色代表液体体积分率为1,蓝色代表液体体积分率为0。由图4可以看出,优化前在进料分布器盖板上方有一定厚度积液,并且进料分布器中心气体携带有液雾;优化后进料分布器盖板上方积液消失,内套筒上升气流中没有雾化液体。优化后分布器的雾沫夹带出现了明显的变化。图5为优化前后进料口水平截面液体分布图,其中红色代表液体体积分率为0.01,蓝色代表液体体积分率为0。由图5可以看出,优化前在内套筒大部分区域为红色,表示上升物流中液体含率大,说明优化前气体的雾沫夹带现象比较严重;优化后整个内套筒面积为蓝色,只有在内套筒筒壁附近有少量非蓝色痕迹,表明在内套筒上升气流中液体分率很小,几乎接近为零。优化后分布器雾沫夹带很少。Fig.4Distributiondiagramofliquidfractiononverticalplanebeforeandafteroptimization4Fig.5Distributiondiagramofliquidfractiononverticalplanebeforeandafteroptimization54.3流体经过分布器的过程压降就是流动过程中流体的能量流动损失,由流体的伯努利方程可知,流体流动损失为:hf=!lu22Dg其中:!-流体沿程摩阻系数;l-流体流动的路径距离,m;u-流体的平均流动速度,m/s;D-流场的当量直径,m;g-重力加速度,m/s2。减压塔进料分布器进料管内气液为环状流,当入口风速20m/s,分布器入口气液呈环状喷雾流,流动已完全发展为湍流,雷诺数Re4000,按照布拉修斯公式流体沿程摩阻系数!为:!=0.3164Re1/4优化后进料分布器高度减小,流体由进料口进入环形通道再折返向上穿过内套筒后,流体流过的路径相对变小,而且减小了分布器盖板宽度内套筒的内径变大,流体通过分布器的流场当量直径变大,按照流动损失公式可知,优化后分布器压降将大幅减小。(下转第84页)75第4期张龙等.十字挡板型进料分布器结构优化研究3.5,某些小型或形状复杂的过滤毡元件,在使用电烙铁钎焊时,钎缝可达性不好,往往造成漏焊和钎着率不高。而Ar热风再流钎焊工艺则能从根本上解决这一难题。因为,作为导热介质的Ar气为流体状态,而高精毡的孔隙率一般都在70%以上,所以Ar热风再流钎焊在完成钎焊过程中,Ar热风不但使毡层表面预镀钎料熔化、流动,而且能使毡层内金属纤维空隙中的钎料也被加热,从而极大地提高加热效果和元件钎缝的致密性。在实际生产过程中,由于气热枪能连续、恒流、稳定地喷出高热Ar气,在熔化焊点的同时,焊点前端部位也被加热,这使得在钎焊长焊缝时加热效率更高。此外,这种Ar热风再流钎焊工艺可以连续加热,钎焊过程中不必大角度调整焊炬,不用不间断地添加固体钎料和钎剂,所以能较大地提高钎焊速度[8]。[1]王同庆.金属纤维烧结毡过滤材料过滤性能与科学应用[J].过滤与分离,2003,13(1):26-28.[2]方洪渊.简明钎焊工手册[M].北京:机械工业出版社,2000.[3]吴树熊,尹食科,李春范.金属焊接材料手册[M].北京:化学工业出版社,2008.[4]中华人民共和国劳动部.G