列管式固定床反应器环形流道数值分析_魏艳娜.pdf

2023年07月|123定床反应器的直径也逐渐增大，这为合理设计大型环形分布器带来了困难4-5。从德滋的文章利用动量距原理推测出环形通道内的变质量流动的压强分布，同时利用试验测量相关模型参数，但理论计算值和测量值差距较大6-7。陈春生8采用 Navier-Stokes 运动方程求解环形流道中的变质量流动，但是不考虑流体阻力的影响，针对日益大型化的反应器环形流道设计，流体阻力对设计结果影响也越来越大，无法完全忽略。本研究对工业规模的环形分布器建立模型，进行环道优化计算，采用 CFD 方法对其内部的变质量流动过程进行模拟研究。研究内容包括进口环形分布器在入口结构、入口处设置导流板以及环形流道开孔设置。通过考察环形流道内的速度、静压分布以及出口流量分配，为大型环形分布器的设计提供理论依据。0 引言列管式固定床反应器广泛用于强放热反应设备，通常情况下，反应放出的大量热量若不能及时被带走，对管内装填充有催化剂的反应过程，将使催化剂活性降低，减少催化剂寿命，严重情况下甚至损坏催化剂，造成巨大损失。因此要求熔盐在反应器内部流动畅通均匀、无停滞、无传热死区，反应器熔盐的流道设计成为重中之重1-4。列管式固定床反应器熔盐进出口流道为环形通道，熔盐在环形通道内进行变质量的周向流动。出于技术保密等原因，国内外少有报道列管式固定床反应器的环形通道相关的研究。要实现熔盐在环道内的等量分流，使其在反应器壳程进出口处均匀分布尤为重要，特别是近年来，随着生产规模日益扩大，列管式固列管式固定床反应器环形流道数值分析魏艳娜1，郝利军2，季敏东2，黄际兵2，周武2，李由2(1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)摘要：文章通过计算流体力学(CFD)方法对列管式固定床反应器熔盐进口环形分布器入口结构、导流板设置、环形流道开孔进行优化计算，考察环形流道内的速度、静压以及出口流量分配，保证出口流量均匀。通过计算对入口进行倒圆弧半径 500 mm，以及入口设置导流板，改善进口环道流量均匀性。导流板的设置有效避免了流体垂直冲刷进入通道，起到导流作用，使流体较均匀的进行分流，有效减少了高速流。为了进一步提高流量均匀性，进出口环形流道开等距不同高度的矩形口，并在各矩形口部位设置阻力相同的多孔板保证流量均匀。通过对矩形口高度进行调整，最终达到设计要求。关键词：CFD；环形流道；变质量流动；流体均布中图分类号：TQ051.1 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)19-0123-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.19.033Numerical Simulation of Flow in Circle Distributor of Multitubular Fixed Bed ReactorWEI Yan-na1,HAO Li-jun2,JI Min-dong2,HUANG Ji-bing2,ZHOU Wu2,LI You2(1.Sichuan Key Laboratory of Clean Combustion and Flue Gas Purification,Chengdu 611731,China;2.Dongfang Boiler Co.,Ltd.,Zigong 643001,China)Abstract:In this paper,computational fluid dynamics(CFD)method is used to optimize the inlet structure of the circle distributor at the molten salt inlet of multitubular fixed bed reactor,the setting of the deflector,and the opening of the annular flow channel.The velocity,static pressure,and outlet flow distribution in the annular flow channel are investigated to ensure that the outlet flow is uniform.The flow uniformity of the inlet loop can be improved by calculating the inverted arc radius of 500 mm at the inlet and setting the deflector at the inlet.The setting of the deflector effectively avoids the vertical scour of the fluid into the channel,plays a guiding role,makes the fluid flow more evenly,and effectively reduces the high-speed flow.In order to further improve the flow uniformity,the inlet and outlet annular flow channels are provided with rectangular ports with equal distance and different heights,and small orifice plates with the same resistance are provided at rectangular ports to ensure the flow uniformity.The height of the rectangular opening is adjusted to meet the design requirements.Keywords:CFD;circle distributor;mass variable flow;uniform fluid distribution设备运维124|2023年07月60 区域。流体进入环道后，流道突然扩大，流体沿着环道形成高速流，通道内壁附近产生高压区，造成入口区静压分布不均。根据这个特性，需要对进入环道的高速流进行均匀性优化，通过观察，入口为矩形口直接与环道相接，没有转弯过渡区域，造成流体急速冲进环道。因此对入口进行优化，首先对入口和环道的接口进行倒圆弧处理，设置圆弧半径 R=500 mm。由图 2 看出倒圆弧结构进口 0 区域对应的矩形出口流量下降，在0 到 60 之间的最小流量与倒圆弧前相比，流量整体升高。进口附近流道内的流量偏差减小，流股均匀，进口高速区得到了分散，使得流道内静压分布均匀，有利于流体的均布。在入口倒圆弧的基础上，入口再设置导流板，导流板为沿着流体流向的弧板。根据图 3 流速云图可明显看出优化后环道流速和静压均发生了很大的变化，同仅倒圆弧比较，0 区域最高流速和静压区得到改善，环道静压和流量分布更加均匀。因此在入口设置导流挡板和倒圆弧，对改善流型、削弱静压分布的偏差有利，起到优化环道入口的作用。2 环道开孔设置计算对环形流道内静压分布及流量分布不均匀的问题，越来越多的研究者认为应该在反应器壳壁采用不均匀开孔，利用穿孔压降来平衡压差区别10。有些研究表明需要沿流动方向将开孔逐渐减小，以增大穿孔阻力，从而实现流体均布11-12。王莉等1提出了改善环形分布器流程均匀性的 3 种手段。因此，本文评估三元熔盐流体在环形分布器内均布性能的影响，对于不均匀开口方式的分布孔的改变要同时考虑开孔率和分布孔与主流道截面面积比。图 4 为进出口环道结构图，出口环道熔盐流向与进口环道相反。由图 4 可以看出，进口环道出口为等宽等间距不同高度的矩形出口，同时覆盖阻力孔板，阻力孔板的1 进口环道结构及导流板设置计算进口环道原结构为三个入口，出口为开口率 10%、等宽等高的均匀矩形出口，熔盐由三个入口进入环道，在环道内分流，从周向矩形出口流出。数值计算的目的是考察环状矩形出口流量分布趋势，根据结果对管道进行整体优化，使熔盐在环道矩形出口流量分布均匀。按照进口环道建立 1：1 比例的三维几何模型，包括均匀分布的三个夹角为 120 的入口、环道、周向均匀分布的矩形出口。考虑到模型内部结构，计算区域采用结构和非结构网格进行划分，整个模型总网格数约 200 万。模型如图 1 所示：(a)原结构；(b)入口倒圆弧半径 R=500 mm；(c)入口设置导流板。图1 不同入口结构图数值计算进口环道的入口采用速度入口边界条件，壳体上的分布口分别设定为压力出口。环道内部的流动是一个复杂的湍流流动，考虑到数学模型的可靠性和工程应用的可行性，本文选用标准-双方程模型来模拟内部的流动状况。固体壁面为静止无滑移、无渗透的绝热边界，在求解过程中，湍流动能、湍流动能耗散率、动量方程、对流扩散方程均采用二阶上风差分法计算，压力和速度耦合采用 SIMPLE算法，以标准化残差和进出口物料是否平衡来判断收敛，连续性方程和动量方程收敛的残差标准为 10 e-6。模拟的流体为三元熔盐，熔盐的物性参数见表 1，温度为 673 K。由图 2 环道周向流量分布显示，由于环道有三个入口，环道流量成周期性分布。0 到 120 圆弧为一个周期，三个入口的环道呈现三个周期。0 到 120 的流量在 0 区域很高，接着急速下降到最低点，再升高直到图2 环道周向流量分布比较表1 计算参数表参数值进口流率/(m3/h)17 444密度/(kg/m3)1 784黏度/(Pa s)1.81 e-3流量/(kg/s)环形流道出口角度/2023年07月|125速和静压出现偏差。为了进一步提高流量均匀性，进出口环形流道开等距不同高度的矩形口，并在各矩形口部位设置阻力相同的小孔孔板保证矩形口截面速度分布均匀。通过对矩形口进行高度调整，改变多孔板截面面积，最终达到设计要求。参考文献：1 王莉，钟思青.环形分布器的流场分析J.广州化工，2014，42(14)：177-179.2 张敏华，百璐，耿中峰，等.列管式固定床反应器管束间单相流动与传热的 CFD 研究J.高校化学工程学报，2013，27(2)：222-227.3 陈春生，杨万红.大型列管式固定床反应器冷模试验J.化学工程，1986(1)：25-30.4 付杰，沈春荣，束忠明，等.并流列管反应器冷器介质的流动与均布J.化学反应工程与工艺，2013，29(2)：97-104.5 姜斌，薛尚龙，董佳鑫，等.列管反应器改进结构环形分布器内变质量流动的数值分析J.化学工业与工程，2016，33(3)：89-95.6 从德滋.环形通道内变质量流动的压降分布(上)J.化工装备技术，1995(6)：1-5.7 从德滋.环形通道内变质量流动的压降分布(下)J.化工装备技术，1996(1)：7-10.8 陈春生.用 Navier-Stokes 运动方程求解环形流道中的变质量流动J.化学工程，1985，13(2)：7-12.9 陈春生.列管式固定床反应器壳程熔盐均布结构的设计及应用J.化工设计，1991，1(1)：8-13.10 李瑞江，陈允华，朱子彬，等.列管反应器中环形分布器内流体均布的探讨J.化学工程，2009，37(10)：20-26.11 百璐，张敏华，耿中峰.环形分布器内变质量流动的 CFD 模拟研究J.化学工程，2012，40(2)：51-55.12 百璐，张敏华，耿中峰.固定床反应器环形分布器内流程模拟与流体均布性能分析J.化学工业与工程，2012，29(1)：43-47.作者简介：魏艳娜(1984-)，女，汉族，本科，东方电气集团东方锅炉股份有限公司，主要从事产品试验研究工作，E-mail：。设计采用等间距等孔径的圆孔孔板。目的是为了使通