康进科，张 阳，李忠凯，刘春成

(陇东学院，甘肃 庆阳 745000)

塔设备在石油化工行业中承担着产品分离提纯，同时也是耗能较大的设备[1]，因此降低塔设备能耗对节能减排有着重要的额意义，现有技术的改进主要是针对塔板上的结构进行改进，主要为了增加气液接触传质效率，如立体喷射塔板研究[2]，立体喷射型塔板是近年发展较快的一种塔板，其传质作用空间是立体的，操作工况为气液并流喷射型，结构特点是在塔板上开孔(如圆孔、方孔、矩形孔)，孔上布置相应形状的帽罩。操作时，气体从板孔进人帽罩，在塔板板孔处形成低压区，塔板上的液体在板上液层静压强作用和罩内外压差的作用下流人罩内，经提升、破碎、喷射分离等过程，完成气液接触传质，此过程中液体为分散相而气体为连续相，随着对节能减排的要求提高，节能成了立体塔板的发展趋势，虽然立体喷射塔板有效的增加了气液传质，但是由于液体在塔板底部进气易导致气体从进气口喷出等现象，这种现象同时抑制了液体的进入量妨碍的气液接触[3]。

针对以上问题本文提出了采用流体通道改变的立体帽罩，气相进口通道截面变小使压力下降，促进液相进入，然后通过混合段增加压力使压力缓慢增加，在达到解决提高气液接触效果增大液体与气体的接触量的同时有利于降低板压降，从而提高塔板传质效率，达到节能减排的效果。

1 设备结构

如图1所示，为本文提出的一种带有自吸结构的塔板示意图，图中可见帽罩的形式为中间截面小的变径结构，气相流经帽罩时流通通道先减小后增加；根据能量守恒可以得到，流通通道减小速度增加，静压能转变为动能压力减小，流通通道增加动能转变为静压能压力增大，如图1(b)帽罩结构，在帽罩中心截面即液相进口处压力减小有利于促进液相进入帽罩，促进气液相传质传热。

图1 塔板结构示意图

2 物理模型

立体板式塔在正常操作时气相和液相在帽罩中混合后喷出，本文采用NEW-VST为参照进行对比；NEW-VST与导流结构帽罩参数如图2所示，使气相进口直径保持一致均为80mm。

图2 帽罩尺寸(a)未设置导流结构塔板 (b)导流结构塔板

根据图2建立物理模型。网格划分应用ICEM进行网格划分，采用非结构网格并对塔板两侧和塔板开孔进行网格细化，网格划分见图2。网格如下图所示，主体采用体网格，边界采用三棱柱网格，对出口处网格进行加密处理。

图3 网格模型

2.2 模型计算方法

采用k-ε模型，气相流场计算的基本方程有连续性方程、动量方程、湍动动能k方程及耗散率ε方程[4-6]，计算采用有限体积法把计算区域划分为离散的控制体网格，在每个控制体体积上积分控制方程，形成计算变量的代数方程。计算中对压力项和速度项之间的耦和关系采用SIMPLE算法[7-8]。

连续性方程

湍动能k的输运方程

湍动耗散率ε的输运方程

2.3 边界条件和收敛判据

模拟对象为塔内气相流经塔板的干板压降，速度采用进口平均速度，出口定义为压力出口出口压力p=0(表压)；壁面边界条件：k-ε模型的Stangard Wall Functions。在求解过程中，迭代足够多次，当连续性方程、动量方程和能量方程的残差均不随计算发生改变时，认为计算收敛。

2.4 数值格式

综合考虑计算精度和建模时间的基础上，在上主体网格采用四面体非结构化网格，在塔板的上方以及塔板上方以及开孔处的壁面六面体结构化网格。并采用动态网格对速度梯度较大的区域进行加密，网格数量为2.7×105～3.6×105个。方程离散化时，时间项采用了隐式格式；对流项采用了二阶迎风格式；压力项采用了PRESTO!算法；压力一速度耦合方程的求解采用了PISO方法。

3 讨论

采用fluent软件对帽罩模型进行模拟，采用速度进口速度分别为5，10，15m/s和20m/s。出口采用压力出口出口压力设置为0Pa。如图4所示(a)为NEW-VST在气相流速为5m/s是的流线图，(b)为导流结构塔板帽罩在气相流速为5m/s是的流线图，从图中可以看到由于变径气相在截面小的部位流速增加，根据流体流动能量守恒，忽略势能和阻力损失动能增加静压能减小，气相进口通道截面变小使压力下降，促进液相进入，然后通过混合段增加压力使压力缓慢增加，促进汽液接触，有利于提高板效率。

图4 塔板干板压降(a)未设置导流结构 (b)设置导流结构

根据图5帽罩纵截面压力云图所示所示，图中黑线表示液相进口所在平面，NEW-VST帽罩在次平面压力稳定与气象进口压力相差不大；导流结构帽罩在液相进口平面，靠近避免出的压力小于中心处的压力，并且均小于气相进口处的压力，与NEW-VST帽罩相比此处的压力明显下降；结合表1所示，在进口速度为5m/s时NEW-VST液相入口截面平均压力28.19Pa、自吸式塔板液相入口截面平均压力-39.28Pa，在进口速度为20m/s时NEW-VST液相入口截面平均压力484.38Pa、自吸式塔板液相入口截面平均压力-653.33Pa，表明采用自吸结构可以有效降低液相进口处的压力，为促进液相更多的进入帽罩提供了条件。

(a)未设置导流结构；(b)设置导流结构图5 设置导流结构前后湍流能量云图

表1 液相进口压力

4 结论

采用CFD软件对自吸结构塔板帽罩进行了模拟研究，模拟结果表明：采用自吸结构可以降低液相进口处的压力，液相进口处压力下降有利于更多的液相进入帽罩，促进汽液能量和质量传递，有利于塔器板效率的提高，有利于促进塔设备节能减排。