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[摘 要]本文首先介绍了催化工艺组成、计算流体力学在催化装置精馏塔板上流场的进展和实验研究及对塔板传质过程的理论研究，同时对典型数学模型的主要计算结果进行比较，为以后的研究工作提供参考。
[关键词]计算流体力学（CFD）；精馏塔板；数学模型；应用
中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0291-01
引言
催化裂化装置是现代化炼油厂用来改质重质油的核心技术，是炼厂获取经济效益的重要手段，催化裂化装置的核心就是精馏操作，许多实验都已证明，塔板上流场分布直接决定着精馏的效率。过去塔板设计大多基于经验公式或半经验公式，当代化学工业的发展除了依靠运用化工技术外，还需依靠计算机技术发展出一个基于理论的工艺设计新方法，随着计算流体力学的发展和计算机技术的发展，使得这一设计思路的实现有了保证。应用新的设计手段能把实验所需人力、物力及财力减到最低限度，这将成为今后工艺设计新的发展方向。
1 催化工艺组成
催化裂化是炼油工业中重要的二次加工过程，是重油轻质化的重要手段。催化裂化的生产过程包括以下几个部分：①反应再生部分。其主要任务是完成原料油反应的转化。②馏部分。主要任务是根据组份沸点的不同，在主分馏塔中将反应油气分离成富气、粗汽油、轻循环油、重循环油、油浆，并且保证汽油干点、轻循环油凝固点和闪点合格。③吸收稳定部分。主要任务是利用各组份之间在液体中溶解度的不同，把粗汽油和富气分离成稳定汽油、干气、液化气。
2 计算流体力学在催化装置精馏塔板上的研究进展
在气固流体床和鼓泡塔中运用CFD技术模拟流场已取得了众多的进展，目前用CFD技术模拟工业流动过程已引起了学术界和企业界的重视。然而，精馏塔板上的流动由于气体的搅动，是极其复杂的两相流动，这种流动还存在4种不同的流动状态，即鼓泡状态、峰窝发泡状态、泡沫状态和喷射或液滴状态，同时塔板弓形区还存在返流区，研究表明返流区所占面积越大，板效率越低，这就大大增加了问题的复杂程度。
2.1 计算流体力学模拟精馏塔板上流体流动的进展
流体力学就其本质来说，是求解描述流体运动的各类微分方程组的科学。计算流体力学则是用数值方法求解流体运动的各类方程组，它的解是对微分方程精确的近似。计算机的发展对流体力学产生了巨大影响，由于流体动力学研究的物理现象丰富多采，由于对不同现象的研究，已经建立起流体动力学的各类方程组，又由于求解非线性方程组的迫切要求等原因，流体动力学极适宜于“计算”分析。计算流体力学突破了求解非线性偏微分方程的困难，它模拟实际的流动现象，设计质量可以用数值试验来评价，它将大大缩短设计的时间、节省设计费用。按照模拟的流体对象大致可分为3个阶段：即模拟塔板上液相流动（简称单相流模型）、气液两相混合物的流动（简称混合模型）以及分别模拟气、液两相流动的双流体模型（简称双流体模型）。
2.1.1单相流模型。单相流模型即把塔板上的气、液两相流动简化为单相（液相）流动处理。在考虑气相阻力作用的条件下，建立了比较简单的筛板流相流场计算模型。模型中包含两个方程，方程中的主要参数DE（涡流传质系数）与涡流粘性系数等价，通过试验数据回归得到。该模型的优点是比较简单，缺点是推导时作了很多假设，使得模型计算结果与实际情况有时相差较远。模型计算结果未能显示返流区的存在。单相流模型的优势在于方程简单，多采用的是与单相流匹配的k-ε模型来封闭方程组；数学模型虽然考虑了两相曳力及气相对液相的湍动增强作用，但其仍是把筛板上的两相流简化为单相流，同时对气液两相间相互作用考虑得仍不充分。以上因素可能是造成计算值与试验值偏差的主要原因。
2.1.2塔板混合模型。混合模型是把两相混合物作为整体来考虑的。混合模型与单相流模型的区别在于，从混合模型的推导过程中看出，混合模型是由两相各自的局部瞬时方程及界面条件经Eule时间平均得到，它考虑了两相相间作用的影响。动量方程比单相湍流模型多了动量源项Mm。它考虑了两相间表面张力的影响。气体与液体两相流复杂的现象之一是表面张力的影响。它将影响靠近交界面处的动量、热量和质量输运的速率，特别是在小尺度系统，如气体-液体接触过程，这种影响更明显。在这一过程中，所产生的压强梯度将阻止流体的正常流动，增大塔板阻力降。考虑的微元是一个个控制体。两相间速度差的存在，使得通过控制体内气泡的含量不同，因而产生浓度扩散，这体现在气相扩散方程及混合动量方程中由浓度差引起的扩散应力项上。虽然混合模型比双流体模型简单（如方程数目），然而正是混合模型的简单性，使它在许多工程中很有用。再者，工程中需要的结果常常是混合物的特性，不是两相流中单项特性。
2.1.3双流体模型。近年来，出现的条件取样技术，揭示了湍流区域中的两种不同的状态的流体在空间共存的事实。例如，在稳态的湍流自由射流中发现在同一空间位置会出现两种不同的速度，在管内钝体后的湍流预混燃烧区发现的冷热两种气团共存在同一空间位置，它们不但具有不同的成分和温度，而且具有不同的速度，为了与这些试验结果相匹配，湍流双流体模型的基本假设是：①两种湍流流体在时空上共存。②两种流体可视为互相穿透的连续介质，其运动规律遵从各自的控制微分方程组。③两流体间存在的动量、能量以及质量的相互作用，亦即相间耦合。运用CFD模拟三维非稳态矩形塔板流体力学的双流体模型，其不足在于假设一个恒等的时间动量传递系数，这只适用于均匀的鼓泡流动场合，对泡沫或喷射状态不适用。
2.2 计算流体力学应用于塔板上传质过程的研究进展
鉴于塔板上浓度场测定的不便，近年来出现了以温度场代替浓度场，通过比较容易测定的温度场来反映塔板上的流体流型与传质特性的方法。针对以空气冷却热水的传热过程建立了传热的二维涡流扩散模型，并结合其流场计算方法即可对塔板上温度场进行理论预测。但其计算值与试验值不吻合。对于板式塔来讲，只有研究和掌握板上以液相为连续相、气相为分散相的气液两相复杂的流动过程，进而联解塔板上流场和浓度场方程，以便准确预测塔板效率，最终为工业应用提供正确的理论依据。
3 CFD应用于塔板上流场的试验研究
近年来，进行流体力学实验研究的科学家将一些新的测试技术用于气液两相流的测量，热膜流速仪是其中应用比较成功的一种。在园柱形流道中，用热膜流速仪对气液两相并流流动进行了测量，同时对两相信号的处理以及气液两相信号的分离进行了研究。借鉴这些研究者用热膜流速仪测量和处理气液两相流的方法，一些研究者采用热膜流速仪测量了精馏塔板上液相流场速度分布和气含率分布，首次实现了大型塔板上液体流速的直接测量。由于使用的是单丝探针，尽管通过采用转动探针的测量角度等手段实现了流场的二维测量，但由于塔板上液体的流动实际是三维流动，所以測量结果不可避免地带有误差。一些研究者采用X型热膜探针对塔板上液相流场进行了测量，由于采用新的实验手段在相同条件下进行测量所需工作量大大减少，所以能对各种工况条件下的塔板流场进行测量，为塔板液相流的理论计算提供了比较可靠的试验数据。
结论
综上所述，运用计算流体力学的方法进行理论计算和模拟，同时建立塔板传质过程基础模型，为精馏设备的开发设计及优化提供一条全新的设计方法。塔板两相流动的理论研究重点应放在深入、全面地考虑气液相间相互作用、完善湍流封闭k-ε模型上，并建立描述湍流下的塔板传质方程，实验研究重点应放在实现塔板流场的三维测试上。
[关键词]计算流体力学（CFD）；精馏塔板；数学模型；应用
中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0291-01
引言
催化裂化装置是现代化炼油厂用来改质重质油的核心技术，是炼厂获取经济效益的重要手段，催化裂化装置的核心就是精馏操作，许多实验都已证明，塔板上流场分布直接决定着精馏的效率。过去塔板设计大多基于经验公式或半经验公式，当代化学工业的发展除了依靠运用化工技术外，还需依靠计算机技术发展出一个基于理论的工艺设计新方法，随着计算流体力学的发展和计算机技术的发展，使得这一设计思路的实现有了保证。应用新的设计手段能把实验所需人力、物力及财力减到最低限度，这将成为今后工艺设计新的发展方向。
1 催化工艺组成
催化裂化是炼油工业中重要的二次加工过程，是重油轻质化的重要手段。催化裂化的生产过程包括以下几个部分：①反应再生部分。其主要任务是完成原料油反应的转化。②馏部分。主要任务是根据组份沸点的不同，在主分馏塔中将反应油气分离成富气、粗汽油、轻循环油、重循环油、油浆，并且保证汽油干点、轻循环油凝固点和闪点合格。③吸收稳定部分。主要任务是利用各组份之间在液体中溶解度的不同，把粗汽油和富气分离成稳定汽油、干气、液化气。
2 计算流体力学在催化装置精馏塔板上的研究进展
在气固流体床和鼓泡塔中运用CFD技术模拟流场已取得了众多的进展，目前用CFD技术模拟工业流动过程已引起了学术界和企业界的重视。然而，精馏塔板上的流动由于气体的搅动，是极其复杂的两相流动，这种流动还存在4种不同的流动状态，即鼓泡状态、峰窝发泡状态、泡沫状态和喷射或液滴状态，同时塔板弓形区还存在返流区，研究表明返流区所占面积越大，板效率越低，这就大大增加了问题的复杂程度。
2.1 计算流体力学模拟精馏塔板上流体流动的进展
流体力学就其本质来说，是求解描述流体运动的各类微分方程组的科学。计算流体力学则是用数值方法求解流体运动的各类方程组，它的解是对微分方程精确的近似。计算机的发展对流体力学产生了巨大影响，由于流体动力学研究的物理现象丰富多采，由于对不同现象的研究，已经建立起流体动力学的各类方程组，又由于求解非线性方程组的迫切要求等原因，流体动力学极适宜于“计算”分析。计算流体力学突破了求解非线性偏微分方程的困难，它模拟实际的流动现象，设计质量可以用数值试验来评价，它将大大缩短设计的时间、节省设计费用。按照模拟的流体对象大致可分为3个阶段：即模拟塔板上液相流动（简称单相流模型）、气液两相混合物的流动（简称混合模型）以及分别模拟气、液两相流动的双流体模型（简称双流体模型）。
2.1.1单相流模型。单相流模型即把塔板上的气、液两相流动简化为单相（液相）流动处理。在考虑气相阻力作用的条件下，建立了比较简单的筛板流相流场计算模型。模型中包含两个方程，方程中的主要参数DE（涡流传质系数）与涡流粘性系数等价，通过试验数据回归得到。该模型的优点是比较简单，缺点是推导时作了很多假设，使得模型计算结果与实际情况有时相差较远。模型计算结果未能显示返流区的存在。单相流模型的优势在于方程简单，多采用的是与单相流匹配的k-ε模型来封闭方程组；数学模型虽然考虑了两相曳力及气相对液相的湍动增强作用，但其仍是把筛板上的两相流简化为单相流，同时对气液两相间相互作用考虑得仍不充分。以上因素可能是造成计算值与试验值偏差的主要原因。
2.1.2塔板混合模型。混合模型是把两相混合物作为整体来考虑的。混合模型与单相流模型的区别在于，从混合模型的推导过程中看出，混合模型是由两相各自的局部瞬时方程及界面条件经Eule时间平均得到，它考虑了两相相间作用的影响。动量方程比单相湍流模型多了动量源项Mm。它考虑了两相间表面张力的影响。气体与液体两相流复杂的现象之一是表面张力的影响。它将影响靠近交界面处的动量、热量和质量输运的速率，特别是在小尺度系统，如气体-液体接触过程，这种影响更明显。在这一过程中，所产生的压强梯度将阻止流体的正常流动，增大塔板阻力降。考虑的微元是一个个控制体。两相间速度差的存在，使得通过控制体内气泡的含量不同，因而产生浓度扩散，这体现在气相扩散方程及混合动量方程中由浓度差引起的扩散应力项上。虽然混合模型比双流体模型简单（如方程数目），然而正是混合模型的简单性，使它在许多工程中很有用。再者，工程中需要的结果常常是混合物的特性，不是两相流中单项特性。
2.1.3双流体模型。近年来，出现的条件取样技术，揭示了湍流区域中的两种不同的状态的流体在空间共存的事实。例如，在稳态的湍流自由射流中发现在同一空间位置会出现两种不同的速度，在管内钝体后的湍流预混燃烧区发现的冷热两种气团共存在同一空间位置，它们不但具有不同的成分和温度，而且具有不同的速度，为了与这些试验结果相匹配，湍流双流体模型的基本假设是：①两种湍流流体在时空上共存。②两种流体可视为互相穿透的连续介质，其运动规律遵从各自的控制微分方程组。③两流体间存在的动量、能量以及质量的相互作用，亦即相间耦合。运用CFD模拟三维非稳态矩形塔板流体力学的双流体模型，其不足在于假设一个恒等的时间动量传递系数，这只适用于均匀的鼓泡流动场合，对泡沫或喷射状态不适用。
2.2 计算流体力学应用于塔板上传质过程的研究进展
鉴于塔板上浓度场测定的不便，近年来出现了以温度场代替浓度场，通过比较容易测定的温度场来反映塔板上的流体流型与传质特性的方法。针对以空气冷却热水的传热过程建立了传热的二维涡流扩散模型，并结合其流场计算方法即可对塔板上温度场进行理论预测。但其计算值与试验值不吻合。对于板式塔来讲，只有研究和掌握板上以液相为连续相、气相为分散相的气液两相复杂的流动过程，进而联解塔板上流场和浓度场方程，以便准确预测塔板效率，最终为工业应用提供正确的理论依据。
3 CFD应用于塔板上流场的试验研究
近年来，进行流体力学实验研究的科学家将一些新的测试技术用于气液两相流的测量，热膜流速仪是其中应用比较成功的一种。在园柱形流道中，用热膜流速仪对气液两相并流流动进行了测量，同时对两相信号的处理以及气液两相信号的分离进行了研究。借鉴这些研究者用热膜流速仪测量和处理气液两相流的方法，一些研究者采用热膜流速仪测量了精馏塔板上液相流场速度分布和气含率分布，首次实现了大型塔板上液体流速的直接测量。由于使用的是单丝探针，尽管通过采用转动探针的测量角度等手段实现了流场的二维测量，但由于塔板上液体的流动实际是三维流动，所以測量结果不可避免地带有误差。一些研究者采用X型热膜探针对塔板上液相流场进行了测量，由于采用新的实验手段在相同条件下进行测量所需工作量大大减少，所以能对各种工况条件下的塔板流场进行测量，为塔板液相流的理论计算提供了比较可靠的试验数据。
结论
综上所述，运用计算流体力学的方法进行理论计算和模拟，同时建立塔板传质过程基础模型，为精馏设备的开发设计及优化提供一条全新的设计方法。塔板两相流动的理论研究重点应放在深入、全面地考虑气液相间相互作用、完善湍流封闭k-ε模型上，并建立描述湍流下的塔板传质方程，实验研究重点应放在实现塔板流场的三维测试上。