柳士开，薄守石，李 伟，侯亚飞，孙兰义

(中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

随着世界范围内对石油需求的不断增加，石油资源的重质化、劣质化趋势更加凸显。因此，高效加工、精制石油组分迫在眉睫。石油加氢技术是指石油组分(包括渣油)和氢气在催化剂存在条件下的加工精制过程，是石油馏分精制、改质和重油加工的重要手段。按照反应器形式不同，石油加氢工艺主要分成四大类，即固定床、沸腾床、移动床和悬浮床加氢处理工艺。现在工业化的石油加氢工艺中，应用最多的为固定床操作模式的加氢处理。气液分配器是固定床反应器中的重要内构件，其作用是使进入反应器的气液两相得到充分混合并均匀喷洒到催化剂床层上。常用的气液分配器主要有4类[1]：筛板型分配器、管式分配器、泡帽型分配器和升气式分配器。其中，管式分配器因其结构简单、安装密度大、分配效果好而得到广泛应用。

蔡连波等[2]开发了一种具有碎流板结构的溢流碎流型气液分配器，并通过冷模试验证明了其分配性能及操作弹性优于抽吸型分配器；王少兵等[3]通过冷热态模型试验，对比了传统的泡帽型分配器与中国石化石油化工科学研究院开发的新型分配器，认为新型分配器的流体分配性能明显优于泡帽型分配器。随着计算机技术的不断发展，其在反应器模拟方面得到越来越广泛的应用。Martinez等[4]应用VOF模型和多孔介质模型，模拟了一种溢流型气液分配器的液体分配特性，获得了催化剂床层上液体的分布情况；Van Baten等[5]采用欧拉模型对筛板型气液分配器进行模拟研究，发现分配器上存在多种液体的环流现象；程锦承等[6]采用标准k-ε湍流模型对文丘里分配器进行数值模拟，并考察了多个文丘里分布管组成的分配盘的分配效果，认为多个分配器的组合能优化分配效果，改善分配性能；李立权等[7]采用“原尺寸模型构建-精细网格划分-CFX动态求解”的CFD数值模拟为技术路线，开发了LYHC-I型加氢反应器内构件，分析了气液两相的流动状态和分布情况，并与冷模试验结果相互验证，证明了该分配器具有良好的性能。

本研究采用CFD商用软件Fluent对不同结构的管式分配器进行模拟，对比其分配性能和进出口压降，为分配器的优化设计提供参考和借鉴。

1 控制方程

本研究在模拟过程中不考虑热量交换、质量交换以及化学反应，选用欧拉-欧拉多相流模型和RNGk-ε模型，描述气液两相在气液分配器内流动过程的基本控制方程主要有连续性方程和动量守恒方程。

连续性方程：

(1)

式中：t为时间，s；φq为q相的体积分数，%；ρq为q相的密度，kgm3；q为q相的速度，ms；mpq为p相到q相的相间传质量，kg(m3·s)；mqp为q相到p相的相间传质量。因为本研究不考虑质量传递，故等式右边等于0。

动量守恒方程：

(2)

(3)

式中：CD为曳力系数；Re为雷诺数。

RNGk-ε模型的k方程和ε方程：

(4)

(5)

式中：k为湍流动能，m2s2；ε为湍流分散率，m2s3；ρ为密度，kgm3；μ为黏度，kg(m·s)；μt为有效黏度，kg(m·s),μt=ρCμ，Cμ=0.09；σk=1.0，σε=1.3，C1=1.44，C2=1.92，PG为耗散函数。

(6)

式中，u,v,w分别为不同方向的速度分量。

2 物理模型及边界条件

2.1 物理模型

本研究以直口管分配器和斜口管分配器[4]为研究对象，竖直管两侧成180°，开有3个侧圆孔(直径17 mm，孔间距54 mm)，1个顶部气体进口(竖直高度40 mm)。管式分配器的几何结构如图1所示，结构尺寸如表1所示。

图1 管式分配器几何结构

表1 计算域尺寸

本研究共考察3种结构的管式分配器：直口管分配器、侧圆孔同方向的斜口管分配器和侧圆孔90°交叉布置的斜口管分配器，并对比各自加碎流板(碎流板直径40 mm)和不加碎流板时的分配性能。其中，碎流板安装在距离分配器出口下方10 mm处，分配器及碎流板结构如图2所示。

图2 分配器及碎流板结构

2.2 边界条件

选用国内某炼油厂固定床柴油加氢装置的相关数据，计算出单个分配器的边界条件，同时列出在操作条件下(300 ℃， 7 MPa)柴油及氢气的物性参数，如表2所示。

表2 操作条件下的物性参数

在模拟中，气液两相从同一入口进入分配器，气相体积流量为0.005 2 m3/s，液相体积流量为0.001 1 m3/s，进口边界条件采用速度入口，出口边界条件设定为压力出口。采用SIMPLE算法作为压力-速度的耦合方程，动量、湍动能和耗散率方程均采用一阶迎风差分格式。采用非稳态进行模拟，时间步长设定为0.001 s。

3 网格划分及无关性检验

对于CFD模拟来说，网格的划分直接影响到计算速率和计算精度。本研究利用PRO-E建立分配器模型，并利用ICEM软件对所建模型划分网格，采用混合型网格计算离散区域，其优点主要体现在两个方面：一是对分配器周围的不规则区域，选择非结构网格，其对几何结构的适应能力强，而且可以对侧圆孔等小结构区域进行局部加密，来获得更高的计算精度；二是在计算域上部和下部的规则区域，采用结构性网格，网格规则且网格数量减少很多，能最大程度减少对计算机内存的需求和节省计算时间。图3所示为划分的混合网格。

图3 整体计算域网格结构

网格疏密程度对数值计算的结果影响非常大，只有当网格数量的增多对计算结果影响不大时，数值计算结果才具有一定的可信度。本研究以进出口压降作为参考，对分配器的网格无关性进行考察，以确定适合的网格数量。图4为分配器进出口压降随网格数量的变化曲线。从图4可以看出，随网格数量的增加，进出口压降逐渐减小，当网格数量为150 000时，继续增加网格数量对进出口压降的计算结果几乎没有影响，因此，在后续的模拟过程中，网格数量确定为150 000。

当能量方程的残差值低于1×10-6，其它方程的残差值低于1×10-3，同时，查看Flux Reports对话框中的各通量误差小于0.1%时，可以认为计算收敛，结束模拟。

图4 网格数量对进出口压降的影响

4 结果与讨论

分配器的设计主要考虑分配器的压降、抗塔板倾斜能力、安装难易程度等，而评价一个气液分配器的性能则从3个方面进行衡量：压降、液体分布均匀性和操作弹性。其中液体分布均匀性在三者中最重要，可从液体流出分配器后的喷洒覆盖面和液体沿径向分配的峰值两方面来衡量。液体喷洒覆盖面越大，沿径向的峰值越小，说明气液分布器的分配性能越好。压降是评价分配器性能的另一项重要指标。一般来说，分配器进出口压降过高，装置的设备投资及能耗会增大，同时液体的流动会变得不稳定；而压降过低，气液两相接触混合不充分，气相对液相的携带和分散能力不足，导致液滴较大，甚至在分配器主体管内出现中心汇流现象，达不到预期的分配效果。本研究通过对比不同分配器的液体分布均匀性及分配器进出口压降来判断不同分配器的性能。

4.1 液体分布均匀性

图5为不同分配器在距分配器出口下方100 mm处截面的液相分率云图。从图5可以看出，不加碎流板时，3种分配器的喷洒面积较小，且液体分布不均匀，直口管分配器液相分率达到0.3。图5(a)和(b)的下方出现红色区域，液相分率高达0.5，表明斜口管分配器液相分率高于直口管分配器，这是由于气体由斜口一个方向进入分配器，在气体的牵引力下，液体从其对应方向聚集流出，导致液体局部浓度较高，而对于直口管分配器，由于气体从四周进入分配器，无液相局部浓度过高的现象。当加入碎流板后，液体的喷洒面积明显增加，且液体局部浓度较高的现象消失，液体分配更加均匀，分配效果更好。

图5 液相分率云图

图6为不同分配器在距分配器出口下方100 mm处截面的液相分率随径向位置的变化曲线。从图6可以看出：不加碎流板时，3种类型分配器的喷洒面积均较小，其中侧圆孔90°交叉布置的斜口管分配器的分配面积最小，且峰值最高，因此较之其它两种分配器，分配性能最差；其它两种分配器的分配面积和液体分配均匀性基本相同，液相分配峰值仅为侧圆孔90°交叉布置的斜口管分配器的20%～30%；增设碎流板后，3种类型的分配器喷洒面积明显增加，分配峰值进一步减小，分配器分布均匀性增加。从结构上看，主要是因为增设碎流板后，大液滴破碎成小液滴，并扩大了液体的分配范围。比较这3种分配器，侧圆孔90°交叉布置加碎流板的斜口管分配器喷洒面积最大，峰值最小，因此分配效果最好。由此可以得出，管式分配器虽然滴点多，但分配面积相对较小，因此有必要在底部设置碎流板。

图6 不同分配器液相分率的径向分布分配器类型：■—侧圆孔同方向斜口管； ●—侧圆孔90°交叉斜口管； ▲—侧圆孔同方向直口管； 侧圆孔同方向加碎流板斜口管； ◆—侧圆孔90°交叉加碎流板斜口管； 侧圆孔同方向加碎流板直口管

从图5和图6还可以看出，与无碎流板的分配器相比，增设碎流板后，3种分配器的液体分布面积和均匀度差别明显变小，由此得出，底部增设碎流板后，气体进入分配器的方式及溢流孔的布置方式对分配器分配性能的影响大大降低。

为了更精确地定量表示液体分布的均匀性，引入了液体分布不均匀度的概念[8]，其定义如式(7)所示。

(7)

图7为不同分配器的液体不均匀度对比。由图7可以看出，增设碎流板后，分配器的液体不均匀度明显降低，约为不加碎流板时的1/10，因此增设碎流板可以提高分配器的分配均匀度。

图7 不同分配器不均匀度对比

增设碎流板的3种分配器不均匀度对比结果表明，侧圆孔90°交叉布置加碎流板的斜口管分配器液体不均匀度最低，验证了该种分配器分配效果最好的结论。

4.2 分配器压降

图8为不同分配器进出口压降对比。从图8可以看出：不加碎流板时，侧圆孔90°交叉布置的斜口管分配器压降最高达到980 Pa，其它两种分配器压降基本相等；增设碎流板时，3种分配器的压降均有不同程度的增加，结合分配器的结构进行分析，增设的碎流板对气液混合流体有一定的阻挡作用，使得压降增加。若要气液两相获得更好的分配，通常都是以增大分配器压降为代价，因此只要压降在合理的范围内，可以通过增设碎流板使气液两相分配更加均匀。

图8 不同分配器进出口压降对比

5 结 论

通过对6种形式分配器的模拟，比较其液相分率云图、径向位置变化曲线、液体不均匀度以及分配器进出口压降等性能参数，得出主要结论为：增设碎流板后，分配器的分配效果明显改善，同时压降也增大，其中，侧圆孔90°交叉布置加碎流板的斜口管分配器分配效果最好；增设碎流板后，气体进入分配器的方式及溢流孔的布置方式对分配器分配性能的影响大大降低。

[1] Maiti R N，Nigam D P. Gas-liquid distributors for trickle-bed reactors：A review[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2007，46(19)：6164-6182

[2] 蔡连波，王冕，盛维武，等. 溢流碎流型气液分配器的开发研究[J]. 炼油技术与工程，2009，39(12)：23-27

[3] 王少兵，毛俊义，王璐璐. 应对原料劣质化的新型高效加氢反应器内构件技术[J]. 石油炼制与化工，2016，47(6)：99-102

[4] Martínez M，Pallares J，López J，et al. Numerical simulation of the liquid distribution in a trickle-bed reactor[J]. Chemical Engineering Science，2012，76(28)：49-57

[5] Van Baten J M，Krishna R. Modelling sieve tray hydraulics using computational fluid dynamics[J]. Chemical Engineering Journal，2000，77(3)：143-151

[6] 程锦承，程振民，方向晨，等. 文丘里气液分布管的实验研究与数值模拟[J]. 华东理工大学学报(自然科学版)，2007，33(4)：456-459

[7] 李立权，陈崇刚. 大型加氢反应器内构件的研究及工业应用[J]. 炼油技术与工程，2012，42(10)：27-32

[8] Marcandelli C，Lamine A S，Bernard J R，et al. Liquid distribution in trickle-bed reactor [J]. Oil and Gas Science and Technology，2000，55(4)：407-415