基于CFD的環(huán)流氣體分布器結構優(yōu)化

　　氣體分布器主要由進口管道、入口導流板、弧形導流擋板、頂板、內套筒和外套筒組成。煙氣進入填料前，由入口導流板分流成左右兩股氣流，兩股氣流分別通過內外套筒之間的弧形導流板分流，氣體則依次被弧形導流板截流剖分成多股流體并沿導流板彎向流向塔底，再折而向上，經(jīng)由內套筒噴出，進入分布器上方空間。

圖1 雙切環(huán)流氣體分布器結構及網(wǎng)格圖

　　氣體分布器結構如圖1，結構參數(shù)如下：進口管徑D=2800mm，管長2000mm；分布器高度一般為進口管徑1.5~2倍，選定高度4500mm，環(huán)形通道寬度600mm；導流擋板數(shù)量8塊，徑向均勻分布，擋板厚度選10mm，分布器距塔底3500mm。

1．雙切向環(huán)流分布器內氣體流動為復雜的三維湍流流動。

2．模擬條件定為常溫常壓，進料狀態(tài)穩(wěn)定，暫不考慮其溫度場變化。

3．邊界條件選取

1) 進口邊界條件，入口氣流為充分發(fā)展湍流，管中心軸向速度u=40m/s。

2) 出口邊界條件：壓力出口；

（1）填料塔徑向截面速度分布狀況

　　煙氣沿環(huán)形通道流動，大部分氣體流向塔底并折返向上，雙切向環(huán)流式氣體分布器不對稱；沿填料塔內壁流動的煙氣氣速較大，與塔底相碰沿塔中心折返。

圖2 填料塔徑向截面流場分布（Y=0）

（2）進口截面速度分布狀況

　　煙氣進入分布器被分流板分流成為兩股流體，并分別進入氣相分布器的環(huán)形流道，氣體通過弧形導流擋板分流成多股流體并流向塔底，再折向上由內套筒流出，流入填料塔內部；氣相分布器內部結構復雜，模擬結果顯示流體的速度及湍動能在這一區(qū)域變化很大，圖3顯示氣相分布器軸向截面流場分布。第一塊導流擋板高度較低，大部分煙氣沿分布器內壁流動，從第一塊與第二塊導流擋板流入填料塔內氣速、氣量均較大；第二塊導流擋板高于進口管中心平面，煙氣經(jīng)過擋板的分流作用，貼近填料塔內壁的煙氣氣速較大。

（a）Z=1.75m

（b）Z=2.25m

（c）Z=2.75m

（d）Z=3.25m

圖3不同軸向截面速度等勢圖

　　從圖3（d）中可以看出，第四塊導流擋板填料塔內壁、分布器內壁氣速較大，導致分布器后端氣速較大，塔中心速度較低；填料塔兩側氣速較小，可以考慮增大第四塊導流擋板高度或減小第二、三塊導流擋板高度來增大填料塔兩側氣量，總而實現(xiàn)氣相的均勻分布。

（1）氣相不均勻度隨塔高變化規(guī)律

　　所考察的塔軸向截面分別位于距分布器出口0.5m、1.0m、1.5m與2.0m高度的位置，分布器頂部位于XZ截面處，進料管軸向中心線和Z軸重合，進料沿Z軸負方向。流體進入分布器后的流場分布如圖4所示。

　　填料塔中心區(qū)域及分布器前端氣速較大，塔壁區(qū)域氣速接近平均氣速；隨著填料塔高度的增加塔截面上的流場不均勻度逐漸減小，速度場分布趨于平均。

（a）Z=5.0m

（b）Z=5.5m

（c）Z=6m

（d）Z=6.5m

圖4不同軸向截面速度等勢圖

（2）塔底高度對氣體分布器性能的影響

圖5表示了塔底高度對分布器性能的影響。

圖5 塔底高度對不均勻度和壓降的影響

　　氣體分布器塔壁區(qū)域煙氣速度較大，煙氣通過環(huán)形通道流出容易與塔底碰撞，影響煙氣分布均勻度和壓降；在塔底高度4~5m范圍內，隨著塔底高度增加，煙氣均布性能有所改善；當塔底高度為5m時，氣體不均勻度和壓降最小，氣體分布器的分布性能最佳。

（3）分布器高度對氣體分布器性能的影響

　　分布器高度是影響分布器均布性能與壓降的主要因素。圖6顯示的是不同分布器高度對分布器性能的影響。

圖6 分布器高度對不均勻度和壓降的影響

　　從上圖可以看出，隨著分布器高度的增加，氣體分布越均勻；從壓降的曲線圖上看出，當分布器的高度為4000mm時，氣體的壓降最小。分布器高度為4000mm時，分布器綜合性能最佳。

（4）導流擋板數(shù)目N對分布器性能的影響

　　流體在環(huán)形通道內主要靠導流擋板導流進入分布器套筒，改變擋板的數(shù)量對塔內流場分布不均勻度及壓降的影響如圖7所示。

圖7擋板數(shù)目對不均勻度和壓降的影響

　　由圖7可以看出，擋板數(shù)目的增加有利于氣體的均勻分布，但當擋板數(shù)量大于14時，壓降呈現(xiàn)增長趨勢。綜合考慮不均勻度和壓降，擋板數(shù)為14時，氣體分布器的性能最佳。

　　影響氣體分布器性能的主要因素有塔壁與內筒的距離L、內筒高度H、分布器第一擋板高度h、分布器中導流擋板數(shù)量N，針對不同工況需分別進行優(yōu)化設計。