列管反应器改进结构环形分布器内变质量流动的数值分析

姜 斌，薛尚龙，董佳鑫，郝 丽

（1.天津大学化工学院，天津 300072；2.精馏技术国家工程研究中心，天津 300072；3.天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

丙烯氧化法所用列管式固定床反应器的壳程温度较高，达到400℃以上，工业上一般使用熔盐作为热载体，及时移出管程反应放出的热量。熔盐进出口通道为环形通道，环形分布器是列管式固定床反应器的重要构件，能够实现热载体在反应器壳程的均匀分布。熔盐在环形通道内的流动属于变质量的周向流动，通过熔盐的等量分流实现其在反应器壳程进口处的均匀分布［1-3］，这为合理设计大型环形分布器带来了困难。

环形分布器内变质量流动规律比直管式多孔管内变质量流动复杂得多。由于技术保密，环形分布器的研究工作国外鲜有报道，目前，国内仅有少数科研单位和高校进行了研究［4］。环形分布器的研究有代表性的为张成芳、陈春生、吕志敏、丛德滋、曹晓丽等［5-8］开展的研究工作。关于环形分布器内变质量流动的研究大多借鉴直管内变质量的研究方法［9］，并且都是在小尺寸规模的实验装置上进行的，而工业列管式固定床反应器的环形通道的规模尺寸比较大，设计过程中存在工业放大的问题。

工业放大要考虑诸多影响因素，在工业规模装置上进行实验由于受到经济等方面的制约是不现实的。数值模拟方法，由于其经济、灵活等优势，而且能够直观获得环形分布器内流体的流动状况，CFD方法成为研究工业放大规律很好的手段。

针对环形流道内静压分布及流量分布不均匀的问题，越来越多的研究者认为应该在反应器壳壁采用不均匀开孔，利用穿孔压降来平衡压差［10］。百璐等［11］的研究表明需要沿流动方向将开孔直径逐渐减小，以增大穿孔阻力，从而实现流体均布。但是在实际工业应用中，如何采用不均匀开孔，并没有明确的指导规律，因此很有必要进行大量的研究工作。

本研究对工业规模的环形分布器建立模型，采用CFD方法对其内部的变质量流动过程进行模拟研究。环形分布器在进口结构设计及进口处导流挡板的设置上均有改进，通过考察环形流道内的速度与静压分布规律、分布器结构参数以及进口流速对熔盐均布性能的影响，为大型环形分布器的设计提供理论依据，并且为列管式固定床反应器壳程流体传热研究提供均匀的进口条件。

1 熔盐分布器建模与求解参数设置

1.1 物理模型与网格划分

工业规模熔盐环形分布器物理模型如图1所示，物理模型在传统结构基础上，对分布器的进口结构进行了改进，由传统的圆柱型进口改为椭圆扩张型进口，并且在进口处两侧增设大小两块呈45°的导流挡板，板间距为250mm，挡板上均匀分布Φ20的小孔，挡板开孔情况见图1b）。环形分布器的开孔方式采用不均匀开孔，内侧壁均匀分布36个等宽、等间距但不等高的长条形孔，孔的高度沿熔盐流向从高至低顺序排列，并按照图1a）所示将这36个分布孔进行编号，分别为1～36，条形孔的宽度均为30mm，并呈两边对称形式分布，条形孔高度的参数值见表1。环形通道的内径Φ3 936mm，外径Φ4 932mm。对于变质量分流流动，熔盐流体从进口进入环形通道，沿圆周流动，从环形通道内侧壁开孔处流入壳程。

表1 条形孔出口的高度参数值Table 1 The height values of the strip hole ou tlets

利用Gambit 2.3.16软件对物理模型进行网格划分，分布孔区域采用结构化网格，网格尺寸为5，进口及主流道区域选用非结构四面体网格，网格尺寸为20，熔盐环形分布器的网格划分情况如图2所示。对3种不同的网格尺寸进行了网格独立性考察，表2列出了不同网格划分方式时Z=0截面的面平均静压和平均速度，当网格数目达到215万时，继续增加网格数目，Z=0截面的面平均静压和速度都基本保持不变，认为此时已实现网格独立。因此，综合考虑计算精度和计算量，选择网格数目为215万的划分方法，网格最小体积为2.48×10-9m3，最大体积为4.48×10-6m3。

图1 改进的工业规模环形分布器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of industrial scale circular distributor with improved structure

图2 环形分布器局部网格划分示意图Fig.2 Grid generation of the circular distributor

1.2 边界条件与数值分析方法

熔盐流体进口流速为4.85 m·s-1，流体以湍流形式流动。环形分布器的进口采用速度入口边界条件，入口椭圆形的当量直径为434.24mm。出口即条形分布孔分别设定为压力出口。固体壁面为静止无滑移、无渗透的绝热边界。模拟过程采用非耦合的稳态隐式求解，SSTκ-ω湍流模型，SIMPLE算法。模拟的流体为熔盐，熔盐的物性参数在表3中列出，操作压力为0.2 MPa，操作温度为617 K。以标准化残差和进出口物料是否平衡来判断收敛，连续性方程和动量方程收敛的残差标准为10-4。

表2 不同网格划分方式的Z=0截面的平均静压和平均速度Table 2 Average static pressure and velocity in the section Z=0 at different grid number

表3 熔盐的热力学及物性参数Table 3 Thermodynamic and physical properties of molten salt

1.3 湍流模型的选择

环形分布器内的流体处于湍流状态，湍流模型的选择直接影响模拟结果的准确性。本节选择与文献［4］中的实验装置相同尺寸的物理模型验证文中所选SSTκ-ω湍流模型的正确性。将模拟计算结果与文献［4］报道的实验结果进行对比，图3为模拟得到的静压分布与实验值的对比。

图3 环形分布器内的静压分布与文献［4］对比Fig.3 Static pressure distribution compared with that from the literature［4］ in circular distribution

由图3可以看出SSTκ-ω模型静压分布与实验值吻合较好，在进口附近和远离进口处，均能对静压进行准确预测。且采用SSTκ-ω得到的动量交换系数为 0.74，与实验中的 0.65～0.72非常接近。

2 熔盐分布器数学模型的建立

本研究考察熔盐流体在环形分布器内的流动状况，熔盐流体可视为不可压缩的牛顿型流体，流体流动的状况视为恒温条件下的稳态流动，所涉及的控制方程为连续性方程和动量守恒方程。

对于等温条件下不可压缩牛顿型流体的稳态流动，其连续性方程为：

动量守恒方程：

3 熔盐分布器数值模拟结果与分析

3.1 分布器内速度和静压分布状况

图4给出了环形分布器Z=0截面上的速度分布云图。

图4 环形分布器Z=0截面的速度分布云图Fig.4 Contours distribution of velocity at section Z=0 in circular distributor

由图4可以看出，分布器进口结构的改进使流体顺畅的流入环形通道，两侧挡板的设置有效避免了流体垂直冲刷进入通道，起到导流作用，使流体较均匀的分成3股流入，有效减少了循环流。随着流体在分布器内不断分流，主流道的流速逐渐降低。

图5显示Z=0截面的静压分布云图。

分流流体在进口导流挡板前端出现高压点，入口处流体撞击在通道内壁上，动能转化为静压能，形成高压区，造成入口静压分布最不均匀。随着流体不断分流，主流道内的静压逐渐增大。环形分布器采用不均匀开孔方式，距离进口越远，出口尺寸越小，降低开孔率提高穿孔压降，使主流道静压分布除进口区域外整体比较均匀。

图5 环形分布器Z=0截面的静压分布云图Fig.5 Contours distribution of static pressure in circular distributor

图6是环形分布器各分布孔速度与流体体积流率沿周向的分布。距离进口的第4个分布孔的体积流率最小，变化幅度较大，这是由于受到进口附近压力波动的影响，此处流道的静压最低，随后几个分布孔的的体积流率逐渐增大。从第13个分布孔开始，流体体积流率呈下降趋势。速度分布除在进口挡板位置处最小外，其他分布孔的速度分布比较均匀。

图6 环形分布器各分布孔的速度与体积流率分布Fig.6 Distribution of velocity and volume flow rate of distributing hole in circular distributor

3.2 新型结构与传统结构的对比

以上为改进结构环形分布器的模拟结果，在其他条件和参数不变的情况下，将传统型式环形分布器与改进型式进行对比，传统型式分布器采用圆柱型进口，进口处未设置挡板，均匀开孔方式。传统结构分布器进口直径434.24mm，相当于椭圆形进口的当量直径，分布孔为长条形出口，条形孔的宽度均为30mm，高度为283mm，保证新型与传统结构主流道与分布孔截面面积比一致。

图7为传统结构环形分布器内Z=0截面的速度分布云图，采用圆柱型进口，流体直接冲入环形通道，正对进口处出现高速流动区，流体波动较大，循环流较多，不利于进口流体的均匀分布。

图7 圆柱型进口环形分布器Z=0截面的速度分布云图Fig.7 Contours distribution of velocity at section Z=0 for cylinder inlet circular distributor

图8为传统结构环形分布器内Z=0截面的静压分布云图，进口处静压分布不均匀，流体进入环形通道后，在正对进口的近壁处形成半圆状高压区，两侧形成一段低压区。

图8 圆柱型进口环形分布器Z=0截面的压力分布云图Fig.8 Contours distribution of static pressure in cylinder inlet circular distributor

3.3 环形分布器分布孔数量对熔盐均布性能的影响

考察分布孔数量对熔盐流体在环形分布器内均布性能的影响，选择分布孔数量 18、24、36、48、60，分布孔高度呈两侧对称，对于不均匀开孔方式的分布孔数量的改变要同时考虑开孔率和分布孔与主流道截面面积比对均布性能的影响。采用分布器内各分布孔体积流率的标准差为目标考察均布效果。

图9为不同开孔数量时体积流率的标准差，随着出口数量的增加，体积流率的标准差呈增长趋势，说明分布孔数量越多，各分布孔的体积流率偏离平均值的波动越大。改变出口数目相当于改变开孔率，开孔率随分布孔数量的增加而增大，影响流体局部性能。分布孔数量增多，即开孔率增大，孔流速减小，从而使穿孔压降变小，导致均布性能变差。而主流道与分布孔的截面面积比也影响流体均布，在分布孔数量为 18、24、36、48和 60时，相应的主流道与分布孔的截面面积比为5.18、3.96、2.82、2.27 和 1.95。

图9 不同开孔数量时分布孔体积流率的标准差Fig.9 The standard deviation of volume flow rate of distributing holes for different outlet number

从图9中可以看出，截面面积比较小，环形分布器的均布性能变差。当分布孔数量为24时，标准差较小，可以满足流体均布的要求。分布孔达到36之后，标准差变化幅度较小，说明再增加分布孔数量对流体均布性能的影响不显著。

将各分布孔截面的速度不均匀度定义为各截面速度的标准差与速度平均值的百分比，用于比较各分布孔速度的离散程度。图10为开孔个数对各分布孔截面不均匀度的影响，随着分布孔数目增多，各出口截面的不均匀度整体上升，分布孔为24时，速度不均匀度较小。分布孔达到36之后，3条曲线比较相近，即不均匀度相差较小，进一步说明了当孔数到达36之后，分布器内的分布状况变化较小。

综合以上分析，选择24个分布孔能够较好的满足流体均布的要求，而分布孔数达到36之后，流体均布情况稳定。

3.4 熔盐进口流量对均布性能的影响

对比高流速 6.35、4.85、3.35 和 1.85 m·s-1及低流速0.03 m·s-1这5种进口流速下的流体均布性能，这5种流速下的熔盐流体的进口雷诺数分别为2 072 040、1 582 581、1 093 123、603 665 和 9 789。

图11和12分别给出了进口流速对各分布孔速度不均匀度的影响及体积流率的影响，流速在1.85～6.35 m·s-1的范围内，各分布孔的速度不均匀度随着流速的降低略有下降，但变化不显著，但当流速较小为0.03 m·s-1时，速度不均匀度较高流速显著降低，进口处尤为明显，而在14～23号出口位置，与高流速的不均匀度相当。且流速较低时，各分布孔流出的流体体积流率较低，波动较小，分布更均匀。这是因为进口流速降低，湍动程度降低，减少了进口区能量损失。

图10 开孔数量对各出口截面速度不均匀度的影响Fig.10 The effect of distribution holes number on outlet velocity non-uniformity

图11 进口流速对各分布孔速度不均匀度的影响Fig.11 The effect of inlet velocity on extent of non-uniformity

图12 进口流速对各分布孔体积流率的影响Fig.12 The effect of inlet velocity on distributing hole volume flow rate

图13给出不同进口流速时分布器内体积流率的标准差，随着流速的增加，体积流率的标准差增大，标准差随流速的变化呈线性关系，对环形分布器内流体速度的选择具有指导意义。综上所述，减小进口流速有利于流体均布。

图13 不同进口流速时环形通道内分布孔体积流率标准差的线性关系Fig.13 Standard deviation of volume flow rate of d istributing holes for different inlet velocity

4 结论

采用CFD模拟方法对工业规模的熔盐流体环形分布器内的变质量流动过程进行研究，通过分析环形通道内的流动状况，并考察环形分布器结构参数及进口流速参数对熔盐流体均布性能的影响，得出以下结论。

1）采用改进结构的环形分布器进行模拟，即椭圆形进口结构及进口两侧分别设置两块呈45°的导流挡板，并且采用不均匀开孔的调节方式，沿流动方向开孔尺寸逐渐减小。模拟结果表明进口附近流道内的波动较小，流股均匀，进口高速区得到了分散，流道内静压分布均匀，有利于流体的均布。随着流体不断分流，流道内流速逐渐减小，静压逐渐增大，不均匀开孔使得分布孔内分流流体的体积流率波动较小。在进口设置导流挡板，对改善流型、削弱静压分布的波动有利。

2）环形分布器的几何结构影响流体均布性能，通过对进口及分布孔结构进行考察对比，得出减少分布孔数量使得开孔率降低，穿孔压降增大，主流道与分布孔截面面积比增大，有利于流体均布，但同时也使得压降增加。优选24个分布孔能够满足流体均布的要求，且分布孔达到36，流体均布情况基本稳定。

3）通过考察进口流速对熔盐均布性能的影响，发现减小进口熔盐流速，进口区域速度及静压波动较小，减小了进口能量损耗，有利于流体均布。

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