基于CFD的环流气体分布器结构优化

　　气体分布器主要由进口管道、入口导流板、弧形导流挡板、顶板、内套筒和外套筒组成。烟气进入填料前，由入口导流板分流成左右两股气流，两股气流分别通过内外套筒之间的弧形导流板分流，气体则依次被弧形导流板截流剖分成多股流体并沿导流板弯向流向塔底，再折而向上，经由内套筒喷出，进入分布器上方空间。

图1 双切环流气体分布器结构及网格图

　　气体分布器结构如图1，结构参数如下：进口管径D=2800mm，管长2000mm；分布器高度一般为进口管径1.5~2倍，选定高度4500mm，环形通道宽度600mm；导流挡板数量8块，径向均匀分布，挡板厚度选10mm，分布器距塔底3500mm。

1．双切向环流分布器内气体流动为复杂的三维湍流流动。

2．模拟条件定为常温常压，进料状态稳定，暂不考虑其温度场变化。

3．边界条件选取

1) 进口边界条件，入口气流为充分发展湍流，管中心轴向速度u=40m/s。

2) 出口边界条件：压力出口；

（1）填料塔径向截面速度分布状况

　　烟气沿环形通道流动，大部分气体流向塔底并折返向上，双切向环流式气体分布器不对称；沿填料塔内壁流动的烟气气速较大，与塔底相碰沿塔中心折返。

图2 填料塔径向截面流场分布（Y=0）

（2）进口截面速度分布状况

　　烟气进入分布器被分流板分流成为两股流体，并分别进入气相分布器的环形流道，气体通过弧形导流挡板分流成多股流体并流向塔底，再折向上由内套筒流出，流入填料塔内部；气相分布器内部结构复杂，模拟结果显示流体的速度及湍动能在这一区域变化很大，图3显示气相分布器轴向截面流场分布。第一块导流挡板高度较低，大部分烟气沿分布器内壁流动，从第一块与第二块导流挡板流入填料塔内气速、气量均较大；第二块导流挡板高于进口管中心平面，烟气经过挡板的分流作用，贴近填料塔内壁的烟气气速较大。

（a）Z=1.75m

（b）Z=2.25m

（c）Z=2.75m

（d）Z=3.25m

图3不同轴向截面速度等势图

　　从图3（d）中可以看出，第四块导流挡板填料塔内壁、分布器内壁气速较大，导致分布器后端气速较大，塔中心速度较低；填料塔两侧气速较小，可以考虑增大第四块导流挡板高度或减小第二、三块导流挡板高度来增大填料塔两侧气量，总而实现气相的均匀分布。

（1）气相不均匀度随塔高变化规律

　　所考察的塔轴向截面分别位于距分布器出口0.5m、1.0m、1.5m与2.0m高度的位置，分布器顶部位于XZ截面处，进料管轴向中心线和Z轴重合，进料沿Z轴负方向。流体进入分布器后的流场分布如图4所示。

　　填料塔中心区域及分布器前端气速较大，塔壁区域气速接近平均气速；随着填料塔高度的增加塔截面上的流场不均匀度逐渐减小，速度场分布趋于平均。

（a）Z=5.0m

（b）Z=5.5m

（c）Z=6m

（d）Z=6.5m

图4不同轴向截面速度等势图

（2）塔底高度对气体分布器性能的影响

图5表示了塔底高度对分布器性能的影响。

图5 塔底高度对不均匀度和压降的影响

　　气体分布器塔壁区域烟气速度较大，烟气通过环形通道流出容易与塔底碰撞，影响烟气分布均匀度和压降；在塔底高度4~5m范围内，随着塔底高度增加，烟气均布性能有所改善；当塔底高度为5m时，气体不均匀度和压降最小，气体分布器的分布性能最佳。

（3）分布器高度对气体分布器性能的影响

　　分布器高度是影响分布器均布性能与压降的主要因素。图6显示的是不同分布器高度对分布器性能的影响。

图6 分布器高度对不均匀度和压降的影响

　　从上图可以看出，随着分布器高度的增加，气体分布越均匀；从压降的曲线图上看出，当分布器的高度为4000mm时，气体的压降最小。分布器高度为4000mm时，分布器综合性能最佳。

（4）导流挡板数目N对分布器性能的影响

　　流体在环形通道内主要靠导流挡板导流进入分布器套筒，改变挡板的数量对塔内流场分布不均匀度及压降的影响如图7所示。

图7挡板数目对不均匀度和压降的影响

　　由图7可以看出，挡板数目的增加有利于气体的均匀分布，但当挡板数量大于14时，压降呈现增长趋势。综合考虑不均匀度和压降，挡板数为14时，气体分布器的性能最佳。

　　影响气体分布器性能的主要因素有塔壁与内筒的距离L、内筒高度H、分布器第一挡板高度h、分布器中导流挡板数量N，针对不同工况需分别进行优化设计。