化工過程水平彎管的氣液兩相流動(dòng)模擬

楊浩（中石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

化工過程水平彎管的氣液兩相流動(dòng)模擬

楊浩（中石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

水平彎管內(nèi)來流物料的不穩(wěn)定流動(dòng)會(huì)引起流體流量的不均勻分布，進(jìn)而影響加熱爐裝置的運(yùn)行效率。本文采用歐拉-歐拉模型結(jié)合湍流模型，對(duì)DN450管道氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于管壁的作用使氣液兩相在進(jìn)入加熱爐爐管之前流動(dòng)便發(fā)生了較大的波動(dòng)，尤其在經(jīng)過彎頭處，當(dāng)水平放置的管道發(fā)展段穩(wěn)定距離達(dá)到7 m（16 D）以上時(shí)，可以保證管流均勻穩(wěn)定。

水平彎管;數(shù)值模擬;氣液流動(dòng)

化工過程水平彎管內(nèi)氣液分布的不均勻性主要是由于來流物料的不穩(wěn)定流動(dòng)引起。當(dāng)氣液混合、流動(dòng)未發(fā)展平穩(wěn)就經(jīng)過彎頭或者三通分離時(shí)，會(huì)加強(qiáng)管內(nèi)的氣液分布不均現(xiàn)象。石油化工壓力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)中關(guān)于加氫精制過程中的氫氣與原料的混合物進(jìn)料的管道布置要求中指出，加熱爐進(jìn)口管道為兩路或多路進(jìn)料時(shí)，為保證兩路流量分配均勻，減少震蕩，在分段進(jìn)料之前應(yīng)有20～25倍公稱直徑直管段，并有至少2 m的高度差。由此可以得出，水平彎管三通分離處直管段距離過短使得氣液流動(dòng)還未充分穩(wěn)定發(fā)展便直接發(fā)生分離，從而產(chǎn)生偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致出口處氣液分配不均。另外，加熱爐入口管道的布置對(duì)氣液流動(dòng)狀態(tài)也有較大的影響，直接影響到爐管內(nèi)的介質(zhì)分配，因此，加熱爐入口管道的合理布置對(duì)整個(gè)加氫裝置的運(yùn)行效率有著重要的意義。本文采用歐拉-歐拉模型結(jié)合湍流模型，對(duì)水平彎道氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究。

1 模擬對(duì)象和工況設(shè)置

本文選用的模擬對(duì)象為化工過程中常用彎管，如圖1所示。該彎管管徑為450 mm，水平彎管長(zhǎng)度為10 m，水平彎管與垂直方向距離2 m。流體首先沿垂直方向流經(jīng)2 m的垂直管道后，經(jīng)過90°的水平彎管，然后水平經(jīng)過10 m的管道。利用Gambit對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。入口邊界條件設(shè)置為速度入口，通過給定的原油流率大小計(jì)算得到，入口方向垂直于入口截面。出口邊界設(shè)置為壓力出口。設(shè)置壁面條件為Wall。其他相關(guān)的參數(shù)設(shè)置根據(jù)原理計(jì)算即可得到。

圖1 DN450管道網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型

本文采用歐拉雙流體方法結(jié)合湍流模型對(duì)上述水平彎管的充分發(fā)展段內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

水平管道的液相體積分?jǐn)?shù)分布如圖2所示。由圖可知，由于垂直管內(nèi)的氣液兩相速度比較均勻，使得液相體積分?jǐn)?shù)分布較為均勻，然而，當(dāng)流體流經(jīng)彎頭處，流體流向迅速發(fā)生變化，流體在離心力和重力的共同作用下，其內(nèi)的液相被甩到彎頭外側(cè)，而其內(nèi)的氣相主要從彎頭內(nèi)側(cè)流過，導(dǎo)致彎頭內(nèi)側(cè)的液相體積分?jǐn)?shù)較高。在經(jīng)過直管后的一段距離內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)分布依然呈現(xiàn)不均勻，隨著氣液兩相流動(dòng)的發(fā)展，經(jīng)過一段距離后液相體積分布逐漸穩(wěn)定下來，說明流體流動(dòng)逐漸穩(wěn)定，并入充分穩(wěn)定發(fā)展區(qū)域。

圖2 液相體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖3為流體流經(jīng)彎管后距離垂直彎管為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m處的液相體積分?jǐn)?shù)分布圖。由圖可知，流體沿水平管流動(dòng)至少7 m時(shí)，液相體積分?jǐn)?shù)分布變化很小甚至不再發(fā)生變化，可認(rèn)為流體已經(jīng)進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)域。因此，流體經(jīng)過一個(gè)DN450的水平管道后，為使流動(dòng)均勻、穩(wěn)定分配，至少需要一個(gè)7 m（16D）的發(fā)展段長(zhǎng)度來使其達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)，即流體達(dá)到16 D穩(wěn)定后再次經(jīng)過彎管三通后分流，可以保證進(jìn)入分支爐管的流體穩(wěn)定流動(dòng)，流量分配均勻，從而解決水平管內(nèi)流體偏流問題。

圖3 不同距離段的液相體積分?jǐn)?shù)分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

水平彎管內(nèi)來流物料的不穩(wěn)定流動(dòng)會(huì)引起流體流量的不均勻分布，進(jìn)而影響加熱爐裝置的運(yùn)行效率。通過分析DN450管道的整體液相體積分?jǐn)?shù)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，氣液兩相在進(jìn)入加熱爐爐管之前流動(dòng)便發(fā)生了較大的波動(dòng)，尤其在經(jīng)過彎頭處，說明加熱爐入口管道處的流動(dòng)狀態(tài)波動(dòng)最大。進(jìn)一步分析水平管不同截面處的液體體積分?jǐn)?shù)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，水平放置的管道發(fā)展段穩(wěn)定距離達(dá)到7 m（16 D）后，管流基本達(dá)到均勻穩(wěn)定。

楊浩(1989-),中石化濟(jì)南分公司,男,山東曹縣,本科,助理工程師,機(jī)械工程