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列管反應(yīng)器改進(jìn)結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器內(nèi)變質(zhì)量流動(dòng)的數(shù)值分析

2016-02-04 08:01薛尚龍董佳鑫
化學(xué)工業(yè)與工程 2016年3期
關(guān)鍵詞:流率熔鹽靜壓

姜 斌,薛尚龍,董佳鑫,郝 麗

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072;2.精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300072;3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心,天津 300072)

丙烯氧化法所用列管式固定床反應(yīng)器的殼程溫度較高,達(dá)到400℃以上,工業(yè)上一般使用熔鹽作為熱載體,及時(shí)移出管程反應(yīng)放出的熱量。熔鹽進(jìn)出口通道為環(huán)形通道,環(huán)形分布器是列管式固定床反應(yīng)器的重要構(gòu)件,能夠?qū)崿F(xiàn)熱載體在反應(yīng)器殼程的均勻分布。熔鹽在環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)屬于變質(zhì)量的周向流動(dòng),通過(guò)熔鹽的等量分流實(shí)現(xiàn)其在反應(yīng)器殼程進(jìn)口處的均勻分布[1-3],這為合理設(shè)計(jì)大型環(huán)形分布器帶來(lái)了困難。

環(huán)形分布器內(nèi)變質(zhì)量流動(dòng)規(guī)律比直管式多孔管內(nèi)變質(zhì)量流動(dòng)復(fù)雜得多。由于技術(shù)保密,環(huán)形分布器的研究工作國(guó)外鮮有報(bào)道,目前,國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)科研單位和高校進(jìn)行了研究[4]。環(huán)形分布器的研究有代表性的為張成芳、陳春生、呂志敏、叢德滋、曹曉麗等[5-8]開(kāi)展的研究工作。關(guān)于環(huán)形分布器內(nèi)變質(zhì)量流動(dòng)的研究大多借鑒直管內(nèi)變質(zhì)量的研究方法[9],并且都是在小尺寸規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的,而工業(yè)列管式固定床反應(yīng)器的環(huán)形通道的規(guī)模尺寸比較大,設(shè)計(jì)過(guò)程中存在工業(yè)放大的問(wèn)題。

工業(yè)放大要考慮諸多影響因素,在工業(yè)規(guī)模裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)由于受到經(jīng)濟(jì)等方面的制約是不現(xiàn)實(shí)的。數(shù)值模擬方法,由于其經(jīng)濟(jì)、靈活等優(yōu)勢(shì),而且能夠直觀獲得環(huán)形分布器內(nèi)流體的流動(dòng)狀況,CFD方法成為研究工業(yè)放大規(guī)律很好的手段。

針對(duì)環(huán)形流道內(nèi)靜壓分布及流量分布不均勻的問(wèn)題,越來(lái)越多的研究者認(rèn)為應(yīng)該在反應(yīng)器殼壁采用不均勻開(kāi)孔,利用穿孔壓降來(lái)平衡壓差[10]。百璐等[11]的研究表明需要沿流動(dòng)方向?qū)㈤_(kāi)孔直徑逐漸減小,以增大穿孔阻力,從而實(shí)現(xiàn)流體均布。但是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,如何采用不均勻開(kāi)孔,并沒(méi)有明確的指導(dǎo)規(guī)律,因此很有必要進(jìn)行大量的研究工作。

本研究對(duì)工業(yè)規(guī)模的環(huán)形分布器建立模型,采用CFD方法對(duì)其內(nèi)部的變質(zhì)量流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬研究。環(huán)形分布器在進(jìn)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及進(jìn)口處導(dǎo)流擋板的設(shè)置上均有改進(jìn),通過(guò)考察環(huán)形流道內(nèi)的速度與靜壓分布規(guī)律、分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進(jìn)口流速對(duì)熔鹽均布性能的影響,為大型環(huán)形分布器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),并且為列管式固定床反應(yīng)器殼程流體傳熱研究提供均勻的進(jìn)口條件。

1 熔鹽分布器建模與求解參數(shù)設(shè)置

1.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

工業(yè)規(guī)模熔鹽環(huán)形分布器物理模型如圖1所示,物理模型在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對(duì)分布器的進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),由傳統(tǒng)的圓柱型進(jìn)口改為橢圓擴(kuò)張型進(jìn)口,并且在進(jìn)口處兩側(cè)增設(shè)大小兩塊呈45°的導(dǎo)流擋板,板間距為250mm,擋板上均勻分布Φ20的小孔,擋板開(kāi)孔情況見(jiàn)圖1b)。環(huán)形分布器的開(kāi)孔方式采用不均勻開(kāi)孔,內(nèi)側(cè)壁均勻分布36個(gè)等寬、等間距但不等高的長(zhǎng)條形孔,孔的高度沿熔鹽流向從高至低順序排列,并按照?qǐng)D1a)所示將這36個(gè)分布孔進(jìn)行編號(hào),分別為1~36,條形孔的寬度均為30mm,并呈兩邊對(duì)稱形式分布,條形孔高度的參數(shù)值見(jiàn)表1。環(huán)形通道的內(nèi)徑Φ3 936mm,外徑Φ4 932mm。對(duì)于變質(zhì)量分流流動(dòng),熔鹽流體從進(jìn)口進(jìn)入環(huán)形通道,沿圓周流動(dòng),從環(huán)形通道內(nèi)側(cè)壁開(kāi)孔處流入殼程。

表1 條形孔出口的高度參數(shù)值Table 1 The height values of the strip hole ou tlets

利用Gambit 2.3.16軟件對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,分布孔區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為5,進(jìn)口及主流道區(qū)域選用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為20,熔鹽環(huán)形分布器的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。對(duì)3種不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性考察,表2列出了不同網(wǎng)格劃分方式時(shí)Z=0截面的面平均靜壓和平均速度,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到215萬(wàn)時(shí),繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)目,Z=0截面的面平均靜壓和速度都基本保持不變,認(rèn)為此時(shí)已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格獨(dú)立。因此,綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量,選擇網(wǎng)格數(shù)目為215萬(wàn)的劃分方法,網(wǎng)格最小體積為2.48×10-9m3,最大體積為4.48×10-6m3。

圖1 改進(jìn)的工業(yè)規(guī)模環(huán)形分布器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of industrial scale circular distributor with improved structure

圖2 環(huán)形分布器局部網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid generation of the circular distributor

1.2 邊界條件與數(shù)值分析方法

熔鹽流體進(jìn)口流速為4.85 m·s-1,流體以湍流形式流動(dòng)。環(huán)形分布器的進(jìn)口采用速度入口邊界條件,入口橢圓形的當(dāng)量直徑為434.24mm。出口即條形分布孔分別設(shè)定為壓力出口。固體壁面為靜止無(wú)滑移、無(wú)滲透的絕熱邊界。模擬過(guò)程采用非耦合的穩(wěn)態(tài)隱式求解,SSTκ-ω湍流模型,SIMPLE算法。模擬的流體為熔鹽,熔鹽的物性參數(shù)在表3中列出,操作壓力為0.2 MPa,操作溫度為617 K。以標(biāo)準(zhǔn)化殘差和進(jìn)出口物料是否平衡來(lái)判斷收斂,連續(xù)性方程和動(dòng)量方程收斂的殘差標(biāo)準(zhǔn)為10-4。

表2 不同網(wǎng)格劃分方式的Z=0截面的平均靜壓和平均速度Table 2 Average static pressure and velocity in the section Z=0 at different grid number

表3 熔鹽的熱力學(xué)及物性參數(shù)Table 3 Thermodynamic and physical properties of molten salt

1.3 湍流模型的選擇

環(huán)形分布器內(nèi)的流體處于湍流狀態(tài),湍流模型的選擇直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本節(jié)選擇與文獻(xiàn)[4]中的實(shí)驗(yàn)裝置相同尺寸的物理模型驗(yàn)證文中所選SSTκ-ω湍流模型的正確性。將模擬計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[4]報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,圖3為模擬得到的靜壓分布與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。

圖3 環(huán)形分布器內(nèi)的靜壓分布與文獻(xiàn)[4]對(duì)比Fig.3 Static pressure distribution compared with that from the literature[4] in circular distribution

由圖3可以看出SSTκ-ω模型靜壓分布與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,在進(jìn)口附近和遠(yuǎn)離進(jìn)口處,均能對(duì)靜壓進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。且采用SSTκ-ω得到的動(dòng)量交換系數(shù)為 0.74,與實(shí)驗(yàn)中的 0.65~0.72非常接近。

2 熔鹽分布器數(shù)學(xué)模型的建立

本研究考察熔鹽流體在環(huán)形分布器內(nèi)的流動(dòng)狀況,熔鹽流體可視為不可壓縮的牛頓型流體,流體流動(dòng)的狀況視為恒溫條件下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng),所涉及的控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

對(duì)于等溫條件下不可壓縮牛頓型流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng),其連續(xù)性方程為:

動(dòng)量守恒方程:

3 熔鹽分布器數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 分布器內(nèi)速度和靜壓分布狀況

圖4給出了環(huán)形分布器Z=0截面上的速度分布云圖。

圖4 環(huán)形分布器Z=0截面的速度分布云圖Fig.4 Contours distribution of velocity at section Z=0 in circular distributor

由圖4可以看出,分布器進(jìn)口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使流體順暢的流入環(huán)形通道,兩側(cè)擋板的設(shè)置有效避免了流體垂直沖刷進(jìn)入通道,起到導(dǎo)流作用,使流體較均勻的分成3股流入,有效減少了循環(huán)流。隨著流體在分布器內(nèi)不斷分流,主流道的流速逐漸降低。

圖5顯示Z=0截面的靜壓分布云圖。

分流流體在進(jìn)口導(dǎo)流擋板前端出現(xiàn)高壓點(diǎn),入口處流體撞擊在通道內(nèi)壁上,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能,形成高壓區(qū),造成入口靜壓分布最不均勻。隨著流體不斷分流,主流道內(nèi)的靜壓逐漸增大。環(huán)形分布器采用不均勻開(kāi)孔方式,距離進(jìn)口越遠(yuǎn),出口尺寸越小,降低開(kāi)孔率提高穿孔壓降,使主流道靜壓分布除進(jìn)口區(qū)域外整體比較均勻。

圖5 環(huán)形分布器Z=0截面的靜壓分布云圖Fig.5 Contours distribution of static pressure in circular distributor

圖6是環(huán)形分布器各分布孔速度與流體體積流率沿周向的分布。距離進(jìn)口的第4個(gè)分布孔的體積流率最小,變化幅度較大,這是由于受到進(jìn)口附近壓力波動(dòng)的影響,此處流道的靜壓最低,隨后幾個(gè)分布孔的的體積流率逐漸增大。從第13個(gè)分布孔開(kāi)始,流體體積流率呈下降趨勢(shì)。速度分布除在進(jìn)口擋板位置處最小外,其他分布孔的速度分布比較均勻。

圖6 環(huán)形分布器各分布孔的速度與體積流率分布Fig.6 Distribution of velocity and volume flow rate of distributing hole in circular distributor

3.2 新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

以上為改進(jìn)結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器的模擬結(jié)果,在其他條件和參數(shù)不變的情況下,將傳統(tǒng)型式環(huán)形分布器與改進(jìn)型式進(jìn)行對(duì)比,傳統(tǒng)型式分布器采用圓柱型進(jìn)口,進(jìn)口處未設(shè)置擋板,均勻開(kāi)孔方式。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布器進(jìn)口直徑434.24mm,相當(dāng)于橢圓形進(jìn)口的當(dāng)量直徑,分布孔為長(zhǎng)條形出口,條形孔的寬度均為30mm,高度為283mm,保證新型與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)主流道與分布孔截面面積比一致。

圖7為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器內(nèi)Z=0截面的速度分布云圖,采用圓柱型進(jìn)口,流體直接沖入環(huán)形通道,正對(duì)進(jìn)口處出現(xiàn)高速流動(dòng)區(qū),流體波動(dòng)較大,循環(huán)流較多,不利于進(jìn)口流體的均勻分布。

圖7 圓柱型進(jìn)口環(huán)形分布器Z=0截面的速度分布云圖Fig.7 Contours distribution of velocity at section Z=0 for cylinder inlet circular distributor

圖8為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)形分布器內(nèi)Z=0截面的靜壓分布云圖,進(jìn)口處?kù)o壓分布不均勻,流體進(jìn)入環(huán)形通道后,在正對(duì)進(jìn)口的近壁處形成半圓狀高壓區(qū),兩側(cè)形成一段低壓區(qū)。

圖8 圓柱型進(jìn)口環(huán)形分布器Z=0截面的壓力分布云圖Fig.8 Contours distribution of static pressure in cylinder inlet circular distributor

3.3 環(huán)形分布器分布孔數(shù)量對(duì)熔鹽均布性能的影響

考察分布孔數(shù)量對(duì)熔鹽流體在環(huán)形分布器內(nèi)均布性能的影響,選擇分布孔數(shù)量 18、24、36、48、60,分布孔高度呈兩側(cè)對(duì)稱,對(duì)于不均勻開(kāi)孔方式的分布孔數(shù)量的改變要同時(shí)考慮開(kāi)孔率和分布孔與主流道截面面積比對(duì)均布性能的影響。采用分布器內(nèi)各分布孔體積流率的標(biāo)準(zhǔn)差為目標(biāo)考察均布效果。

圖9為不同開(kāi)孔數(shù)量時(shí)體積流率的標(biāo)準(zhǔn)差,隨著出口數(shù)量的增加,體積流率的標(biāo)準(zhǔn)差呈增長(zhǎng)趨勢(shì),說(shuō)明分布孔數(shù)量越多,各分布孔的體積流率偏離平均值的波動(dòng)越大。改變出口數(shù)目相當(dāng)于改變開(kāi)孔率,開(kāi)孔率隨分布孔數(shù)量的增加而增大,影響流體局部性能。分布孔數(shù)量增多,即開(kāi)孔率增大,孔流速減小,從而使穿孔壓降變小,導(dǎo)致均布性能變差。而主流道與分布孔的截面面積比也影響流體均布,在分布孔數(shù)量為 18、24、36、48和 60時(shí),相應(yīng)的主流道與分布孔的截面面積比為5.18、3.96、2.82、2.27 和 1.95。

圖9 不同開(kāi)孔數(shù)量時(shí)分布孔體積流率的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9 The standard deviation of volume flow rate of distributing holes for different outlet number

從圖9中可以看出,截面面積比較小,環(huán)形分布器的均布性能變差。當(dāng)分布孔數(shù)量為24時(shí),標(biāo)準(zhǔn)差較小,可以滿足流體均布的要求。分布孔達(dá)到36之后,標(biāo)準(zhǔn)差變化幅度較小,說(shuō)明再增加分布孔數(shù)量對(duì)流體均布性能的影響不顯著。

將各分布孔截面的速度不均勻度定義為各截面速度的標(biāo)準(zhǔn)差與速度平均值的百分比,用于比較各分布孔速度的離散程度。圖10為開(kāi)孔個(gè)數(shù)對(duì)各分布孔截面不均勻度的影響,隨著分布孔數(shù)目增多,各出口截面的不均勻度整體上升,分布孔為24時(shí),速度不均勻度較小。分布孔達(dá)到36之后,3條曲線比較相近,即不均勻度相差較小,進(jìn)一步說(shuō)明了當(dāng)孔數(shù)到達(dá)36之后,分布器內(nèi)的分布狀況變化較小。

綜合以上分析,選擇24個(gè)分布孔能夠較好的滿足流體均布的要求,而分布孔數(shù)達(dá)到36之后,流體均布情況穩(wěn)定。

3.4 熔鹽進(jìn)口流量對(duì)均布性能的影響

對(duì)比高流速 6.35、4.85、3.35 和 1.85 m·s-1及低流速0.03 m·s-1這5種進(jìn)口流速下的流體均布性能,這5種流速下的熔鹽流體的進(jìn)口雷諾數(shù)分別為2 072 040、1 582 581、1 093 123、603 665 和 9 789。

圖11和12分別給出了進(jìn)口流速對(duì)各分布孔速度不均勻度的影響及體積流率的影響,流速在1.85~6.35 m·s-1的范圍內(nèi),各分布孔的速度不均勻度隨著流速的降低略有下降,但變化不顯著,但當(dāng)流速較小為0.03 m·s-1時(shí),速度不均勻度較高流速顯著降低,進(jìn)口處尤為明顯,而在14~23號(hào)出口位置,與高流速的不均勻度相當(dāng)。且流速較低時(shí),各分布孔流出的流體體積流率較低,波動(dòng)較小,分布更均勻。這是因?yàn)檫M(jìn)口流速降低,湍動(dòng)程度降低,減少了進(jìn)口區(qū)能量損失。

圖10 開(kāi)孔數(shù)量對(duì)各出口截面速度不均勻度的影響Fig.10 The effect of distribution holes number on outlet velocity non-uniformity

圖11 進(jìn)口流速對(duì)各分布孔速度不均勻度的影響Fig.11 The effect of inlet velocity on extent of non-uniformity

圖12 進(jìn)口流速對(duì)各分布孔體積流率的影響Fig.12 The effect of inlet velocity on distributing hole volume flow rate

圖13給出不同進(jìn)口流速時(shí)分布器內(nèi)體積流率的標(biāo)準(zhǔn)差,隨著流速的增加,體積流率的標(biāo)準(zhǔn)差增大,標(biāo)準(zhǔn)差隨流速的變化呈線性關(guān)系,對(duì)環(huán)形分布器內(nèi)流體速度的選擇具有指導(dǎo)意義。綜上所述,減小進(jìn)口流速有利于流體均布。

圖13 不同進(jìn)口流速時(shí)環(huán)形通道內(nèi)分布孔體積流率標(biāo)準(zhǔn)差的線性關(guān)系Fig.13 Standard deviation of volume flow rate of d istributing holes for different inlet velocity

4 結(jié)論

采用CFD模擬方法對(duì)工業(yè)規(guī)模的熔鹽流體環(huán)形分布器內(nèi)的變質(zhì)量流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究,通過(guò)分析環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)狀況,并考察環(huán)形分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)口流速參數(shù)對(duì)熔鹽流體均布性能的影響,得出以下結(jié)論。

1)采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的環(huán)形分布器進(jìn)行模擬,即橢圓形進(jìn)口結(jié)構(gòu)及進(jìn)口兩側(cè)分別設(shè)置兩塊呈45°的導(dǎo)流擋板,并且采用不均勻開(kāi)孔的調(diào)節(jié)方式,沿流動(dòng)方向開(kāi)孔尺寸逐漸減小。模擬結(jié)果表明進(jìn)口附近流道內(nèi)的波動(dòng)較小,流股均勻,進(jìn)口高速區(qū)得到了分散,流道內(nèi)靜壓分布均勻,有利于流體的均布。隨著流體不斷分流,流道內(nèi)流速逐漸減小,靜壓逐漸增大,不均勻開(kāi)孔使得分布孔內(nèi)分流流體的體積流率波動(dòng)較小。在進(jìn)口設(shè)置導(dǎo)流擋板,對(duì)改善流型、削弱靜壓分布的波動(dòng)有利。

2)環(huán)形分布器的幾何結(jié)構(gòu)影響流體均布性能,通過(guò)對(duì)進(jìn)口及分布孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行考察對(duì)比,得出減少分布孔數(shù)量使得開(kāi)孔率降低,穿孔壓降增大,主流道與分布孔截面面積比增大,有利于流體均布,但同時(shí)也使得壓降增加。優(yōu)選24個(gè)分布孔能夠滿足流體均布的要求,且分布孔達(dá)到36,流體均布情況基本穩(wěn)定。

3)通過(guò)考察進(jìn)口流速對(duì)熔鹽均布性能的影響,發(fā)現(xiàn)減小進(jìn)口熔鹽流速,進(jìn)口區(qū)域速度及靜壓波動(dòng)較小,減小了進(jìn)口能量損耗,有利于流體均布。

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