气液鼓泡床泡罩式气体分布器流场的CFD模拟.pdf

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1、340化工机械2013年气液鼓泡床泡罩式气体分布器流场的CFD模拟巫春连+1魏耀东1蔡连波2陈强2(1.中国石油大学(北京)化工学院;2.中国石化集团洛阳石油化I-r程公司)摘要采用ANSYSFLUENT商用CFD软件对气液鼓泡床内泡罩式气体分布器单体进行了数值模拟。以u,=12.34m/s的入口速度对计算模型进行单相2-雏稳态模拟。研究了泡罩内径、泡罩齿片和入口管开孔分别对塔内不均度和泡罩式气体分布器的压降影响规律。研究表明,随着泡罩内径的增加,塔内不均度和分布器压降减小;泡罩齿片加宽,齿片对气体的阻力增

2、加;齿片间距增加,齿片对气体的阻力减小;入口管开孔数对塔内不均度没有任何影响。开孔数很少时,开孔数量的增加使分布器的压降减小,然而开孔数增加到一定数量时,开孔数对分布器的压降影响甚微。对泡罩式气体分布器进行了结构优化。关键词泡罩式气体分布器流场分布单相优化CFD模拟中图分类号TQ051文献标识码A文章编号0254--6094(2013)03-0340-07气液鼓泡床反应器因结构简单、造价和能耗低以及传质传热效率高等优点,被广泛应用于石油化工、环境工程及生化工程等领域¨1。其典型的过程包括费托合成、加氢及废水

3、处理等。在气液鼓泡床中,气体分布器是重要构件之一,对鼓泡床内的气液流动过程和气泡尺寸分布有直接影响。任何一个鼓泡床均需通过气体分布器来保证气液良好的接触,以提高反应深度、增加产品收率和保证催化剂良好状态。由于泡罩式气体分布器不存在非常小的气孔,具有防堵塞的突出优点,因而非常适合含有高黏性液相的鼓泡床。目前,国内外对分布器的研究以实验为主,近年来人们逐渐开始用CFD来模拟气体分布装置。鼓泡床的数值模拟主要集中在鼓泡床内的气液流动特性、气泡尺寸分布等口。。,而对于分布器喷嘴的本体缺少分析。丰存礼等¨一们使用CF

4、D软件对分布器进行了优化设计。随着鼓泡床技术的发展,气体的分布性能要求越来越高,直接影响到鼓泡床的特性。通过实验来开发一种高性能的分布器可能要耗费大量的人力、物力和财力,甚至对于某些大型设备的分布器来说,实验的难度相当高。而CFD辅助工程成本低、周期短、改进有方向。笔者利用三维模型对泡罩气体分布器的性能进行气体单相数值模拟,较系统地从分布器的各种设计参数对其布气性能的影响进行分析,从而得出各参数对分布器性能影响的一般规律,为泡罩分布器的优化及设计提供基础理论和优化思路。1模型的建立1.1物理模型选择泡罩式气

5、体分布器作为研究对象。计算模型由圆柱形鼓泡床和泡罩式分布器单体组成。鼓泡床的塔高H=2000mm,塔径D=400mm。其鼓泡床和泡罩式分布器结构如图l所示。1.2数值模型计算过程中,把气相当作不可压缩流体,流体流动近似稳态流动。研究表明用标准k-占模型计算出来的结果与实际情况相符合⋯1,因而文中的湍流模型也采用该模型。不考虑热量传递,整个过程可用连续性方程、动量方程、湍动能而和湍动能耗散率8的输运方程来描述。·巫春连,男,1984年1月生,硕士研究生。北京市,102249。第40卷第3期化工机械341图1鼓

6、泡床泡罩式气体分布器结构示意图连续性方程鲁+V·(P“)=o(1)f=一p。。[Vu+(V“)’一-;-1(·“)](3)地旆扣⋯㈣加一⋯⋯三爱攀k2{42,;()p7一Pu9占、J7其中,.r为应力张量,由下式计算得出:湍动能k的输运方程:{p警}+{p(址。)帆a--生kl=h等l+{击(鲁善)l+l击(p差)}+{一舻}(6)湍动能耗散率占的输运方程:{P詈}+Ip(u,)。a-。-!,t={Pc。。-syri笔}}+{毒(瓮毒)}+{毒(p毒)}+{“吐P等}(7)标准k-6模型中的系数使用Laun

7、der和Spal一和床层气体分布不均匀度以进行定量表征。ding的推荐值:C。=0.09,吼=1.00,盯。=1.30,分布器压降定义为气体入口与出13的压力C。.:1.44,c。:1.92。对靠近壁面区域,采用差,即气体通过分布器的压降。为了便于分析,分FLUENT自带的标准壁面函数进行处理¨。。1.3边界条件泡罩式气体分布器的人口为计算模型的入口,其边界条件为速度入口,入口速度为12.34m/s。湍流强度为4.5%,水力学直径为36ram。鼓泡床的出13为计算模型的出13,其边界条件为压力出口,出口表压

8、为0,水力学直径为400mm。采用标准壁面函数计算近壁网格上的各物理量。壁面设为no·slip边界。2气体分布器性能定量表征指标气体分布器的性能可以采用分布器压降△p布器出口压力取截面为距塔底Z,=200mm处的平均压力,其分布器压降定义式为:△p=p。一P。。(8)分布器对床层气体分布不均度帆的影响是评价气体分布器性能的重要参数。肘,越小,说明截面上气体平均速度差越小,截面上气体分布越均匀。其定义式为:式中.s

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