Расчет распределения газа в кожухотрубных аппаратах
Кожухотрубные аппараты получили широкое распространение для проведения химических реакций и теплообменных процессов между различными жидкими и газообразными веществами.
Существенный недостаток аппаратов кожухотрубного типа проявляется в том, что в конструкции не предусмотрена возможность равномерного распределения среды. Что, в свою очередь, приводит к колебанию температуры в зоне реакции.
Известно, что колебания температур отрицательно влияют на процесс протекания химической реакции и качество получаемого продукта.
В случае экзотермической реакции возникает опасность потери материалом катализатора своих свойств и уменьшения его срока службы. Равномерное распределение исходной смеси или теплоносителя по сечению достигается с помощью распределительного устройства.
В распределительном устройстве выполняется функция распределения потока по всему сечению, которая является очень важной частью протекающего процесса. Чем лучше распределение потока, например, по поверхности каталитических сеток или трубной решетки, тем более полно используется поверхность катализатора, больше выход и качественнее конечный продукт. Теплоноситель более равномерно распределяется по трубам трубного пучка, что предотвращает обратный ток теплоносителя в трубках, расположенных на периферии пучка.
В качестве исследуемого аппарата выступил промышленный реактор. Реактор представляет собой кожухотрубчатый вертикальный аппарат с диаметром корпуса 2800х20 мм. Трубчатый пучок состоит из 1038 шт. Диаметр труб 56х3,5 мм, длина 3000 мм. Объёмная производительность реактора составляет 0,707 м3/c
Для решения поставленной гидродинамической задачи был использован открытый программный пакет OpenFOAM. Он является некоммерческим продуктом.
В качестве газораспределительных устройств рассмотрены шесть видов (см. рисунок ниже), которые, как предполагается, должны обеспечить дополнительное перераспределение газа для выравнивания профиля скорости.
Любое применение вычислительной гидродинамики состоит из последовательных этапов, которые выполняются с использованием специального программного обеспечения:
- Построение расчетной области. На данном этапе формируется геометрия модели, формулируются необходимые физические условия;
- Создание расчетной сетки. Геометрия дискретизируется, задаются начальные и граничные условия дифференциальных уравнений;
- Расчёт. На данном этапе машина, подчиняясь заданному алгоритму, численно решает основные уравнения с точки зрения базовых физических параметров, а также записывает результаты решения в память;
- Анализ. Результаты решения отображаются в виде графиков, таблиц, а также контурных/векторных схем, привязанных к исходной геометрии.
Создание трёхмерных моделей осуществляется при помощи программы FreeCAD. Для построения расчетной сетки используется генератор сеток snappyHexMesh. Процесс построения сетки в snappyHexMesh начинается с разбиения ячеек, пересекающих границы тел, находящихся в области. Масштаб получаемой в итоге сетки определяется т.н. уровнем ее измельчения. По завершении процесса измельчения сетки выполняется анализ и модификация сетки в целях улучшения ее качества. В результате построения получена сетка из 4.5 миллионов гексаэдров (см. рисунок ниже).
В процессе расчета проведены вычислительные эксперименты, в ходе которых оценивалось влияние конструкции газораспределительного устройства на характер распределения движущийся среды в реакторе. Результатами вычислительного эксперимента являлись массивы значений проекций скорости на оси X, Y, Z и значений давлений во всех точках газораспределительного устройства.
Полученные результаты визуализированы при помощи программы ParaView. Некоторые результаты расчетов представлены ниже. На рисунке показано сечение аппарата по вертикали вдоль оси у, распределение скорости и линии тока в объёме аппарата без распределительного устройства и со сферическим распределительным устройством.
Как видно из рисунков, направление движения частиц газа в аппарате с катализатором, без распределительного устройства и с его наличием различно.
В аппарате без распределительного устройства газовый поток проходит в виде центральной струи, вызывая явление байпаса и рецикла. Это приводит к тому, что в части трубок скорость движения газа значительно превышает среднее значение, а в части газ движется в обратном направлении.
Результаты расчета, полученные в ходе исследования, отображены на графике (см. ниже) в виде профиля скорости газового потока в аппарате, за трубным пучком, без распределительного устройства, при наличии катализатора и для всех предложенных видов распределительных устройств.
Из рисунка видно, что скорость газа неравномерно распределена по радиусу аппарата, за исключением случая с использованием катализатора в трубках реактора. Это говорит о необходимости установки распределительных устройств в реакторы без слоя катализатора, а также в кожухотрубных теплообменниках, или заполнения трубок зернистым слоем.
В реакторе с применением распределительных устройств газ разделяется на несколько потоков, что приводит к улучшению распределения газа, но не избавляет от явления байпаса и рецикла, а приводит к перераспределению этих зон.
При расчете реактора с наличием катализатора наблюдается равномерное распределение газового потока, что связано со значительным гидродинамическим сопротивлением зернистого слоя катализатора, приводящего к снижению кинетической энергии струи потока входящего газа.
Чтобы оценить качество распределения газа и распространение явлений байпаса и рецикла, определяется отклонение рассчитанного от идеального профиля и количество трубок, работающих в режимах байпаса и рецикла.
Результаты оценки представлены на диаграмме ниже.
Проведя анализ результатов, можно сделать следующие выводы:
- наибольшее отклонение профиля скорости газа от идеального наблюдается в реакторе без распределительного устройства, в то же время число трубок, работающих в режиме байпаса и рецикла, не является максимальным;
- наименьшее отклонение профиля скорости газа от идеального наблюдается в реакторе со слоем катализатора, что показывает применимость модели идеального вытеснения для описания гидродинамической структуры потока при моделировании реактора кожухотрубного типа;
- в реакторе с применением дискового распределительного устройства отклонение от идеального профиля минимальное, но число трубок, работающих байпасом, максимальное;
- в реакторе с применением распределительного устройства в виде конуса отклонение от идеального профиля максимальное, но число трубок, работающих байпасом, минимальное;
- в реакторе с применением распределительного устройства в виде трех усеченных конусов, число трубок, работающих рециклом, минимальное;
- установка распределительного устройства не всегда приводит к желательному результату, что говорит о необходимости определения их оптимальных размеров;
- при моделировании реактора кожухотрубного типа с катализатором для описания гидродинамической структуры потока рекомендуется использовать модель идеального вытеснения.