杨浩（中石化济南分公司，山东 济南 250000）

化工过程水平弯管的气液两相流动模拟

杨浩（中石化济南分公司，山东 济南 250000）

水平弯管内来流物料的不稳定流动会引起流体流量的不均匀分布，进而影响加热炉装置的运行效率。本文采用欧拉-欧拉模型结合湍流模型，对DN450管道气液两相流动特性进行模拟研究。研究结果发现，由于管壁的作用使气液两相在进入加热炉炉管之前流动便发生了较大的波动，尤其在经过弯头处，当水平放置的管道发展段稳定距离达到7 m（16 D）以上时，可以保证管流均匀稳定。

水平弯管;数值模拟;气液流动

化工过程水平弯管内气液分布的不均匀性主要是由于来流物料的不稳定流动引起。当气液混合、流动未发展平稳就经过弯头或者三通分离时，会加强管内的气液分布不均现象。石油化工压力管道设计手册中关于加氢精制过程中的氢气与原料的混合物进料的管道布置要求中指出，加热炉进口管道为两路或多路进料时，为保证两路流量分配均匀，减少震荡，在分段进料之前应有20～25倍公称直径直管段，并有至少2 m的高度差。由此可以得出，水平弯管三通分离处直管段距离过短使得气液流动还未充分稳定发展便直接发生分离，从而产生偏流现象，导致出口处气液分配不均。另外，加热炉入口管道的布置对气液流动状态也有较大的影响，直接影响到炉管内的介质分配，因此，加热炉入口管道的合理布置对整个加氢装置的运行效率有着重要的意义。本文采用欧拉-欧拉模型结合湍流模型，对水平弯道气液两相流动特性进行模拟研究。

1 模拟对象和工况设置

本文选用的模拟对象为化工过程中常用弯管，如图1所示。该弯管管径为450 mm，水平弯管长度为10 m，水平弯管与垂直方向距离2 m。流体首先沿垂直方向流经2 m的垂直管道后，经过90°的水平弯管，然后水平经过10 m的管道。利用Gambit对其进行网格划分。入口边界条件设置为速度入口，通过给定的原油流率大小计算得到，入口方向垂直于入口截面。出口边界设置为压力出口。设置壁面条件为Wall。其他相关的参数设置根据原理计算即可得到。

图1 DN450管道网格划分

2 数学模型

本文采用欧拉双流体方法结合湍流模型对上述水平弯管的充分发展段内的气液两相流动特性进行模拟研究。

3 计算结果与分析

水平管道的液相体积分数分布如图2所示。由图可知，由于垂直管内的气液两相速度比较均匀，使得液相体积分数分布较为均匀，然而，当流体流经弯头处，流体流向迅速发生变化，流体在离心力和重力的共同作用下，其内的液相被甩到弯头外侧，而其内的气相主要从弯头内侧流过，导致弯头内侧的液相体积分数较高。在经过直管后的一段距离内液相体积分数分布依然呈现不均匀，随着气液两相流动的发展，经过一段距离后液相体积分布逐渐稳定下来，说明流体流动逐渐稳定，并入充分稳定发展区域。

图2 液相体积分数分布图

图3为流体流经弯管后距离垂直弯管为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m处的液相体积分数分布图。由图可知，流体沿水平管流动至少7 m时，液相体积分数分布变化很小甚至不再发生变化，可认为流体已经进入充分发展区域。因此，流体经过一个DN450的水平管道后，为使流动均匀、稳定分配，至少需要一个7 m（16D）的发展段长度来使其达到稳定流动，即流体达到16 D稳定后再次经过弯管三通后分流，可以保证进入分支炉管的流体稳定流动，流量分配均匀，从而解决水平管内流体偏流问题。

图3 不同距离段的液相体积分数分布图

4 结语

水平弯管内来流物料的不稳定流动会引起流体流量的不均匀分布，进而影响加热炉装置的运行效率。通过分析DN450管道的整体液相体积分数分布图可以发现，气液两相在进入加热炉炉管之前流动便发生了较大的波动，尤其在经过弯头处，说明加热炉入口管道处的流动状态波动最大。进一步分析水平管不同截面处的液体体积分数分布图可以发现，水平放置的管道发展段稳定距离达到7 m（16 D）后，管流基本达到均匀稳定。

杨浩(1989-),中石化济南分公司,男,山东曹县,本科,助理工程师,机械工程