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

　　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。

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。

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；

（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。

（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。

　　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)。