Fluent 喷淋塔优化说明书

青岛石化烟气脱硫资源化利用项目Fluent 喷淋塔模拟优化说明书Fluent喷淋塔模拟及优化说明模拟的最终目的是为了优化流程，以达到某方面的效益最佳，如经济效益最好、节能效果最佳等。本项目所选用脱硫主要设备为一台喷淋塔（T0102），与板式塔及填料塔不同的是，板式塔与填料塔的设计主要集中在进料位置、总板数、侧线出料板位置、回流比、侧线出料量等。而喷淋塔为了保证压降尽量小，主要为空塔，内部有喷嘴、气体均布板等各种塔件。而常用的计算流体力学（CFD）软件Fluent对喷淋塔的优化有着很好的应用。在建立全流程模拟的过程中我们已经对局部可以寻优的参数进行了寻求最优的求解，这些参数包括各吸收塔的结构信息、塔内流速、液气比等。而一些反应参数是根据文献所述确定的最佳操作条件，这些参数无需进行优化。下面我们将以吸收塔T0102为例，具体介绍FLUENT软件在本项目喷淋塔设计模拟及优化中的应用。n 问题的研究与发现在脱硫塔的调查中我们发现了现存的脱硫塔存在诸多普遍的缺点需要进行修改与优化，所以本组依照初步设计的脱硫塔进行流体方面的优化设计。对现存脱硫塔的文献调查和咨询我们总结其在流体流动方面的缺点如下：l 塔内烟气由入口进入喷淋塔后，塔侧壁上升，另侧气流形成旋涡；l 烟气在刚刚进入塔后在入口对侧有冲壁现象， 这种冲壁现象容易导致表面温度过高析出晶体，导致脱硫塔结垢，以及对塔壁直接冲击容易使得塔被冲击处老化；l 塔内烟气分布不均匀导致脱硫效率大大降低。针对以上的流体流动方面的问题，我们通过CFD软件对初步设计的脱硫塔进行模拟优化设计。模拟优化设计要求首先在Gambit软件中建立脱硫塔的模型，在建立合理的脱硫塔模型之后，我们继续使用Fluent 6.3软件进行模型的模拟优化设计。图1 Gambit脱硫塔模型n 模型的假设与简化根据脱硫喷淋塔内烟气流动的实际情况，做如下模型假设:(1) 通常送入喷淋塔内的烟气都是已经过除尘器除尘处理，因此，视烟气为不含尘的洁净烟气；同时，假设烟气是不可压缩的牛顿流体；(2) 烟气的流动为三维、定常流动，且湍流是各向同性的；同时入口边界条件认为来流速度充分发展且分布均匀；(4) 暂不考虑塔氨液喷淋对烟气流场的影响；(5) 烟气与吸收液的反应过程几乎在浆液池以上区域就已完成，因此，将液面设定为静止状态，且不将浆液池纳入计算范围；(6) 塔内喷淋层以上区域只设定了除雾器，用来除去脱硫后的烟气携带的液滴，对脱硫流场的影响不大，除雾器构造复杂，会加大网格划分难度与增加模拟时的计算量，所以不将除雾器放入计算模型中。n 数学模型及控制方程u 进喷淋塔内烟气湍流模型烟气湍流模型必须遵守三大基守恒定律：质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。因此，烟气的湍流流场，有连续相方程： （3-1）其中U为速度矢量； S mp 为质量源相； （3-2）式中 P 为静压，v 为连续相流体的粘度， Sup 为动量的源相；能量方程： （3-3）其中为连续相烟气的导热系数，cp为定压比热容， ST代表内热源， STP代表能源的源项；将上述三个方程表示为通用形式： （3-4）其中, 代表通用变量,代表扩散系数， S代表源项。对上述三大方程采用雷诺时均法进行分解，为使模型封闭，在湍流流场中的时均表达值上加一个附加项： = （3-5）其中为标量，为时均常量，为附加项。在之前的三大方程中加入这种（3-5）式的表达，得控制湍流流动的 Reynolds时均方程组： （3-6）（3-7） （3-8）可见，湍流附加条件雷诺应力项 uiuj 存在于时均方程组中，要使上述方程组完全封闭，必须选用湍流粘性系数法和雷诺应力方程法中的一种以实现精确地模拟雷诺应力项 uiuj。本研究选用湍流粘性系数法，应用该方法时关键在于湍流粘性系数的确定。根据 Boussinesq 提出的假设，将湍流模型表达为： (3-9)其中i 为湍流粘性系数，是取决于流动状况的一个空间坐标函数。关键系数i 的确定方法已存有多种，而在 Fluent 软件中，通常都是应用 Spalding 和 Launder提出的双方程模型的k-模型来确定i ： i=Cuk2/ (3-10)式中k代表湍流脉动动能,代表耗散率，它们的控制方程分别为： （3-11）（3-12）其中 C1、 C 2 是经验常数，ak和a为普朗特常数， C1 =1.44， C 2 =1.92；，ak=1.0，a =1.2，通过计算得到， Cu =0.09。n 模拟结果及分析优化u 烟气入口角度优化通过查阅文献与前期模拟我们发现在烟气有入口进塔后，大部分气体倾向于沿塔一侧塔壁上升，而与此同时，另一侧气流则形成旋涡。针对此问题我们进行烟气入口角度的模拟得出：烟气由入口进入喷淋塔后，沿右侧壁上升，左侧气流形成旋涡，其旋涡的大小随入口角度的增大而增大; 在一定的角度范围内，右侧烟气垂直上升区域的到大小随入射角度增大而增大， 这是由于烟气入口角度增大， 入射烟气的切向速度增大，利于旋流扩散，故旋涡缩小，烟气流动区域增大，同时对液体层的液面的扰动作用增大。 当烟气入口角度为 7、10、15、20时空塔压降逐步升高。前三种入口角差别不大，而 20入口角度的压降升幅更明显， 压降的增加导致风机负荷的增加，不利于脱硫经济性。综合考虑，随烟气入口角的增大有利于脱硫效率，但不利于经济性，选取入口角度 15较合理。 图2水平进气y=0压力分布图图3 15进气y=0压力分布图对于烟气在刚刚进入塔后在入口对侧有冲壁现象， 这种冲壁现象容易导致表面温度过高析出晶体，导致脱硫塔结垢，以及对塔壁直接冲击容易使得塔被冲击处老化的问题，我们将入口角度调为15后，入口的气体撞击的是塔底的液体，从而降低了对塔壁的损坏。如图6-2、图6-3的比较容易看出气体对塔壁的冲击降低了，所以我们设计烟气入塔的角度为15。u 烟气入口形式的优化设置脱硫喷淋塔存在的另一个问题是塔内烟气分布的问题。烟气分布不但影响到塔体的载荷，同时也导致塔内气液相接触不均，造成脱硫效率大大降低的不良情况。针对入塔烟气分布不均的问题展开研究，通过计算流体力学的软件模拟与文献的检索，我们拟将烟气入口管道设置进行改变。通常是将圆筒形烟气入塔管口改换为长宽较大的矩形管口。通过模拟，我们发现，在入塔管道截面积相同的情况下，矩形管口的烟气入口压力分布远远好于圆形管口。这说明，方形入塔管口能够对塔体载荷的分布起到更好的作用，同时，也更利于塔内气液相均匀接触，保证喷淋塔高的整体脱硫效率。具体模拟结果见下图6-4与6-5。图4 z=6.5m处圆形入口烟气压力分布图图5 z=6.5m处长方形入口烟气压力分布图u 气体均布板的设置与优化通过前述模拟我们可以得出：在塔高5.85米处的横截面上，气体分布比较集中，压强大的面积比例最大。基于模拟结果，查阅文献后，我们考虑在塔体5.85米处设置气体均布板。查阅文献我们发现，气体均布板开孔率越大塔进出口压降就越低，但其强度也会变差，加工成本成倍上升。因此获得合适开孔率的气体均布板对于塔内气体均不极其重要。通过Gmabit软件建立模型并在Fluent软件模拟后，我们得出当开孔率为52.8%时，我们可以获得很好的塔内气速分布。同时，在这一开孔率下，对均布板的加工与材料选择也较为合适，具有不错的应用型与经济性。因此本项优化拟在塔高5.85米处设置开孔率为52.8%的气体均布板。Fluent模拟结果见下图6-6、6-7、6-8 。图6 不加均速板的y=0截面气压分布图图7 均布板开孔率为30%的y=0截面气压分布图图8 均布板开