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基于CFD的環(huán)流氣體分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

作者: 2016年01月14日 來源:互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量:
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對于煙氣CO2填料吸收塔,塔進(jìn)口氣流的初始分布、分布器壓降和液沫夾帶等性能對煙氣CO2脫除效率有重要影響。文章利用CFD軟件對雙切向環(huán)流式氣體分布器流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析得出了分布不均勻度、壓降綜合性能最佳

  對于煙氣CO2填料吸收塔,塔進(jìn)口氣流的初始分布、分布器壓降和液沫夾帶等性能對煙氣CO2脫除效率有重要影響。文章利用CFD軟件對雙切向環(huán)流式氣體分布器流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析得出了分布不均勻度、壓降綜合性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 氣體分布器模型

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

1物理模型

 


圖1 雙切環(huán)流氣體分布器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格圖

 

  氣體分布器結(jié)構(gòu)如圖1,結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:進(jìn)口管徑D=2800mm,管長2000mm;分布器高度一般為進(jìn)口管徑1.5~2倍,選定高度4500mm,環(huán)形通道寬度600mm;導(dǎo)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。

2計(jì)算模型

 

1.雙切向環(huán)流分布器內(nèi)氣體流動為復(fù)雜的三維湍流流動。

2.模擬條件定為常溫常壓,進(jìn)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(jìn)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;

2 氣體分布器模擬結(jié)果分析

1流場分布特征

 

(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(nèi)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(jìn)口截面速度分布狀況

  煙氣進(jìn)入分布器被分流板分流成為兩股流體,并分別進(jìn)入氣相分布器的環(huán)形流道,氣體通過弧形導(dǎo)流擋板分流成多股流體并流向塔底,再折向上由內(nèi)套筒流出,流入填料塔內(nèi)部;氣相分布器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模擬結(jié)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(dǎo)流擋板高度較低,大部分煙氣沿分布器內(nèi)壁流動,從第一塊與第二塊導(dǎo)流擋板流入填料塔內(nèi)氣速、氣量均較大;第二塊導(dǎo)流擋板高于進(jìn)口管中心平面,煙氣經(jīng)過擋板的分流作用,貼近填料塔內(nèi)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(dǎo)流擋板填料塔內(nèi)壁、分布器內(nèi)壁氣速較大,導(dǎo)致分布器后端氣速較大,塔中心速度較低;填料塔兩側(cè)氣速較小,可以考慮增大第四塊導(dǎo)流擋板高度或減小第二、三塊導(dǎo)流擋板高度來增大填料塔兩側(cè)氣量,總而實(shí)現(xiàn)氣相的均勻分布。

2分布器幾何參數(shù)對氣相分布的影響

(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(jìn)料管軸向中心線和Z軸重合,進(jìn)料沿Z軸負(fù)方向。流體進(jìn)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(nèi),隨著塔底高度增加,煙氣均布性能有所改善;當(dāng)塔底高度為5m時(shí),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(dāng)分布器的高度為4000mm時(shí),氣體的壓降最小。分布器高度為4000mm時(shí),分布器綜合性能最佳。

 

(4)導(dǎo)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(nèi)主要靠導(dǎo)流擋板導(dǎo)流進(jìn)入分布器套筒,改變擋板的數(shù)量對塔內(nèi)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(dāng)擋板數(shù)量大于14時(shí),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(shí),氣體分布器的性能最佳。

3結(jié)論

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

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標(biāo)簽:環(huán)流氣體分布器

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