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精馏塔气相流动分布的CFD模拟及分析

丁浩  
【摘要】:在大型工业精馏塔中气体的流动分布是影响塔效率的重要因素。特别是目前逐渐被广泛应用的规整填料塔,由于其阻力小,对气体得自分布性能较差,同时有对气体的分布较为敏感,所以气体分布状况会对整个精馏塔的分离效率有较大的影响。因此,大型工业填料塔气体分布的研究具有重要的实际意义。目前,针对精馏塔气相分布的研究大都停留在实验基础之上且集中于进气分布器的研究,对于其它塔内件的气流流场研究还很少,对于很多气体流动情况用实验来测定其流体力学特性,存在一定的困难。近年来计算流体力学(CFD)发展很快,已经应用于化工过程的流体力学问题的研究的许多领域,经过多年的研究和发展,CFD对于具有相当复杂结构的装置中单相流模拟的准确性已经达到较高的水平。工程上对精馏塔气体分布影响因素主要有塔内件的开孔率及其结构形式、表观流速等因素,由于塔内件结构形式一般相对简单,利用计算流体力学方法模拟气体在塔内的流速分布可以获得较准确的结果,因此可以用来对精馏塔气相流动分布特性进行有效的分析。本文利用计算流体力学软件(FLUENT),对在不同的塔内件结构形式、开孔率以及表观气速等条件下塔体内气相流速的分布进行了模拟,并利用模拟结果对精馏塔体内气相流动分布的不均匀度沿塔轴向分布规律进行了关联,以期为工程设计提供依据。 对于塔径较小的精馏塔,其进气结构主要是管式结构,本文通过CFD模拟,分析了气速、截面位置对气体分布不均匀度的影响,证明了气速在本文所计算的范围内,对流过管式结构进入精馏塔内的气体在精馏塔轴向分布不均匀度影响不大,其不均匀度仅取决进气结构上方截面的位置。根据模拟结果,本文通过数学方法回归出不同结构不均匀度与截面位置间的函数关系以供工程设计参考。 在大型塔器中,尤其是炼油中的减压塔中,集油箱式结构是广泛应用的一种汽液分布结构,由于减压塔床层矮、塔径大的特点对气体分布的均匀性要求很高。因此,气体通过集油箱后的流动特性十分值得研究。本文选取集油箱式结构的一个单元,通过CFD模拟给出了气体通过集油箱后的流动特性,并且通过模拟结果证明了气体通过集油箱后,其气体分布的不均匀程度与集油箱的开孔率、距集油箱的截面位置有关,并且回归出三者之间的函数关系。另外,复合导流式进气结构是近几年才出现的一种气体分布结构,本文通过CFD模拟对其气体分布情况作了初步研究。


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