填料塔气体分布装置的结构优化和流场模拟

摘 要：本文主要介绍了双叶片气体分布器和双切向循环气体分布器的主要结构特点。在相同塔径、相同进口直径和不同进气速度的条件下，分别对两种气体分布器和优化分布器的流场进行了模拟，分析了主体结构对配气的影响，验证了结构优化的合理性，希望能够借此帮助相关研究者进行工作设置。

关键词：填料塔气体分布器;流场模拟;结构优化

1 气体分布器的介绍

随着新型高孔隙率、低压降、高效填料的不断开发和研究，以及大型浅层填料塔的广泛应用，塔内气流可以均匀分布在第一填料床上的传统观点已被研究人员在研究过程中否决。针对组合式塔内的气体分配，介绍了双叶片气体分布器和双切向循环气体分布器的主要结构特点。在相同塔径、相同进气直径和不同进气速度的条件下，分别对两种气体分布器和优化分布器的流场进行了模拟，分析了主体结构对配气的影响，验证了结构优化的合理性。

1.1双列叶片式气体分布器

双排叶片气体分配器的气体沿着入口直径流入塔中。入口两侧有两排弧形导叶，顶部和底部采用封闭结构。气流沿两排叶片从左右两侧分离，并流向塔壁。塔体两侧空气流量大，在气流中心形成漩涡，结构气速分布均匀，夹带液体少，强度低，结构紧凑，适用范围广，已成功应用于直径大于10m的大型填料塔。

1.2双切向环流式气体分布器

双均循环气体分布器的气相流在进入塔前，由左右对称结构的挡板将其分为两股，然后分别进入内外套筒之间的弧形通道。由于材料沿弧形通道移動时产生的离心力，液滴被抛到塔壁，并沿塔壁向下流动。挡板位置的高度沿环形通道逐渐布置，气体被弧形挡板拦截，依次分为多股流体，沿挡板曲线流向塔底，然后返回并向上流动，并通过内套筒进入分配器上方的空间。电弧通道、引弧板、下塔空间和分配器上方空间的共同作用，使原料气在塔中均匀分布。其气速分布相对均匀，液体泡沫入口小，阻力影响小，综合性能好，应用范围广，广泛应用于直径超过10米的大型填料塔。

2 气体分布器的流场模拟理论

该分析方法的优点是推导结果具有普遍性，几个影响因素清晰可见，可作为指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论依据。为了获得理论的抽象结果，保证研究的有序性，需要对模型进行简化，特别是对于非线性情况，只有少数流动状态可以给出理论分析结果。实验测量方法得到的结果更加真实可靠，这一结果是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场摄动、人为因素和测量精度的限制，难以通过实验方法获得复杂流场的精确结果。此外，实验方法也会遇到很多困难和不便，如资金不足、人力物力成本巨大、周期长等。计算流体方法（CFD）克服了前两种方法的不足，CFD采用数值模拟方法，通过计算机求解描述流体运动的数学方程，结合物理方程和边界条件的配置，揭示流体运动的物理规律，能够研究稳定流体运动的空间物理特性和不稳定流体运动的物理时空特性。常用的CFD软件解算器基于有限体积法，将计算和分析模型离散为一系列控制体积。根据这些控制体积，得到质量、动量和能量守恒的一般方程，然后将偏微分方程离散为代数方程。最后，用数值方法求解方程组，得到流场计算结果。随着计算技术的不断发展，fluent、CFX等计算流体力学软件层出不穷，使得计算流体力学方法的广泛应用成为可能。

2.1 气体分布器的流场模拟

流体流动模拟包括以下步骤：（1）确定物体的流动特征;（2）建立物理模型和网格;（3）建立数学模型进行验证;（4）数值计算，包括边界条件和初值的调整、方程的离散化和方程的求解;（5）模拟结果的处理和分析。

为了能够更好的简化实验具体的模拟过程，笔者根据相关理论进行了以下假设：（1）介质为20℃空气，规定的进气流速分别为15m/s、20m/s和25m/s;（2）除气体入口和出口外，所有墙面均为刚性光滑表面;（3）壁面不采用滑动极限条件，湍流采用标准壁函数法处理。进气口采用初始速度条件，排气口采用初始中压条件，这种结构更容易获得收敛结果。计算方法采用双精度条件下的有限体积法，迭代次数设置为5000次。分别计算了两种气体分布器和两种改进型气体分布器中的速度场分布。

2.2 流场模拟结果的讨论

（1）关于双线叶片结果的讨论：对于相同结构的双线叶片气体分布器，速度场分布规律是相同的，在输出平面内靠近内壁表面有两个不等速度区域，这证明了两个位置都存在偏流现象，因此有必要对分配器的结构进行优化。（2）关于双切向循环结果的讨论：对于相同结构的双线叶片气体分布器，速度场分布规律是相同的，并且在输出平面内靠近壁面有两个不等速度区，这证明了两个位置都存在偏流现象，因此有必要对分配器的结构进行优化。（3）关于双排叶片（带分配环）结果的讨论：双排叶片（带分配环）结构的气体分配效果优于原型，偏流面积显著减小，但压降增加。（4）关于双切向循环（带横向挡板）结果的讨论：与原型相比，双排叶片（带分配环）气体分布器显著改进，偏流面积显著减小，但压降增加。（5）压降和均匀性的比较压降指数和均匀性和均匀性是气体分布器的关键参数。根据实验数据，双线叶片式的压降较小，改进后的分布器压降大大增加，但略小于双切向环流。无论是样机还是改进型，输出均匀性均小于70%，均匀分布效果改善不明显。双切向循环式的压降较大，改进后的压降提高了20%左右，均匀性优于第一种。改进后的均匀分布效果接近73%（高于分配器2m），证明改进后的结构能有效改善均匀分布效果。

3 结论

填料塔具有效率高、压降低、流量大、适应性强等优点。气体分布器广泛应用于蒸馏、吸收和分离等化工装置操作中。在设计和选择填料塔内部时，应注意气体分布器与包装性能之间的对应关系。只有当这两种结构合理时，填料塔的设计才能更加合理。随着计算机技术、计算流体力学等先进设计方法和研究方法的发展，不断推动填料塔内部结构的深入研究。通过流体计算软件获得了包装塔内气体的流动状态，并结合相关实验结果掌握了塔内气体的流动规律，为改进组合塔初始气体分布器的结构提供理论依据和技术支持。

参考文献：

[1]安丽，段振，李海艳.面向船用双燃料主机的淡水降温填料塔数值模拟及传质计算[J].机电设备，2021，38（05）：65-69.DOI：10.16443/j.cnki.31-1420. 2021.05.016.

[2]马骏. 竖直和倾斜状态下规整填料表面气液流动数值模拟研究[D].大连理工大学，2020.DOI：10.26991/d.cnki.gdllu.2020.002606.

[3]张寅. 基于逆流填料塔的热泵加湿-除湿海水淡化系统性能研究[D].天津大学，2019.DOI：10.27356/d.cnki.gtjdu.2019.000267.

[4]穆传冰，朱灿朋，李义超，田宝龙.填料塔气体分布装置的优化设计[J].石油和化工设备，2018，21（05）：23-27.

[5]钟晓伟. 填料塔内臭氧氧化结合氨法同时脱硫脱硝的实验研究[D].天津大学，2017.

[6]张梦娴，李玉星，韩辉，朱建鲁，常学煜.基于液体弥散理论的规整填料塔液体扩散数值模拟[J].化工进展，2017，36（03）：823-831.DOI：10.16085/j.issn.1000- 6613.2017.03.008.

姓名：李鹏（1986.10-04-）;性别：男，籍贯：江苏省南京人，民族：汉族，学历：本科，毕业于扬州大学;现有职称：助理工程师;研究方向：化学工程与工艺。