新型過(guò)程強(qiáng)化裝置的最佳擋板間距仿真研究*

鄒韶明 朱瑞林

（江西工程學(xué)院） （湖南師范大學(xué)工學(xué)院)

0 引言

在化工設(shè)備中，擋板的間隔對(duì)其中的流體的流場(chǎng)是有影響的，而流場(chǎng)會(huì)對(duì)裝置中的化工過(guò)程產(chǎn)生影響，因此在換熱器、混合器、反應(yīng)器以及各種有關(guān)化工過(guò)程設(shè)備的設(shè)計(jì)中，擋板的間距一直都是一個(gè)很重要的參數(shù)。許多的學(xué)者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)或是理論分析的方法對(duì)許多裝置的擋板間距問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了各種裝置中有關(guān)擋板間距的理論或是實(shí)際最佳參數(shù)。本文以一種新型過(guò)程強(qiáng)化裝置為研究對(duì)象，利用數(shù)值分析的方法來(lái)研究該裝置關(guān)于擋板間距的最佳值問(wèn)題。

1 新型過(guò)程強(qiáng)化裝置簡(jiǎn)介

新型過(guò)程強(qiáng)化裝置[1-3]如圖1所示，其工作原理是通過(guò)在過(guò)程設(shè)備上設(shè)置與之配合的機(jī)械振蕩裝置，使過(guò)程設(shè)備內(nèi)的流體形成紊流或充分混合，以強(qiáng)化工藝過(guò)程。

2 仿真模型建立

選用圓環(huán)形擋板，利用Fluent建立該裝置的三維模型。取裝置中的一節(jié) （兩相鄰擋板間的空間）作為研究對(duì)象，采用Gambit中的自適應(yīng)混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。選用有限體積法和RNG κ-ε計(jì)算模型[4-7]進(jìn)行計(jì)算，對(duì)過(guò)程強(qiáng)化裝置采用不同擋板間距時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖1 新型過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)及其裝置

圖2 筒體的網(wǎng)格劃分

3 不同擋板間距下流場(chǎng)的數(shù)值模擬

在化工過(guò)程中，流體的傳質(zhì)和傳熱的效果均與流場(chǎng)中的速度大小以及分布有關(guān)，其傳熱和傳質(zhì)效率與流場(chǎng)中流體質(zhì)點(diǎn)的雷諾數(shù)直接相關(guān)，故本文將對(duì)不同徑高比 （即筒體直徑與擋板間距的比值）情況下新型強(qiáng)化裝置中間面上流體質(zhì)點(diǎn)單元流場(chǎng)速度值、徑向速度以及雷諾數(shù)的分布進(jìn)行分析。

為了使所得結(jié)果具有可比性和代表性，本文選擇在相同時(shí)刻、相同頻率和相同振幅時(shí)，對(duì)該過(guò)程強(qiáng)化裝置筒體在不同尺寸參數(shù)下的流場(chǎng)進(jìn)行分析。為了便于比較，取圓形開(kāi)孔，開(kāi)孔率為0.5，頻率為5 Hz，振幅為3 cm。本文分別取筒體的徑高比為 1 ∶1， 1 ∶1.25， 1 ∶1.375， 1 ∶1.5， 1 ∶1.625， 1 ∶1.75，1∶2，即當(dāng)筒體直徑為100 mm時(shí)，分別取筒體高度為100 mm，125 mm，137.5 mm，150 mm，162.5 mm，175 mm，200 mm。經(jīng)過(guò)Fluent軟件的數(shù)值模擬，得到速度、徑向速度和雷諾數(shù)隨筒體高度變化的情況圖 （見(jiàn)圖3～圖5）。

圖3 筒體尺寸參數(shù)變化時(shí)中間面上的速度平均值變化圖

圖4 筒體尺寸參數(shù)變化時(shí)中間面上的徑向速度變化情況圖

圖5 筒體尺寸參數(shù)變化時(shí)中間面上的雷諾數(shù)變化情況圖

從裝置中質(zhì)點(diǎn)的速度、徑向速度和雷諾數(shù)變化情況圖可以看出，在所施加的強(qiáng)化條件相同時(shí)，在相同時(shí)刻，筒體的形狀不同，速度值也不相同。當(dāng)筒體直徑取100 mm時(shí)，隨著筒體高度的不斷增大，筒體xoz平面上各質(zhì)點(diǎn)的速度值以及徑向速度和雷諾數(shù)并不是呈單調(diào)變化的。在筒體高度由100 mm增大至150 mm時(shí)，這幾個(gè)參數(shù)的值隨著筒體高度的增加不斷增大；但是在筒體高度超過(guò)150 mm后，這幾個(gè)參數(shù)的值隨著高度的繼續(xù)增加而減小。流體質(zhì)點(diǎn)的徑向速度和雷諾數(shù)對(duì)于化工過(guò)程的進(jìn)行有著重要的影響。徑向速度的大小決定著筒體內(nèi)中間部分的流體能否與靠近筒體壁面處的流體進(jìn)行充分接觸，而這將直接影響到化工過(guò)程中熱量和質(zhì)量的傳遞。雷諾數(shù)的大小反映了流體的湍動(dòng)程度，在化工過(guò)程中，有時(shí)希望加大雷諾數(shù)來(lái)對(duì)過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化。因此，由上述分析可以得出，在筒體直徑為100 mm、筒體高度為150 mm時(shí)，流體的徑向混合最好，流體的湍動(dòng)程度最大。也就是說(shuō)，在該裝置中擋板的間距取150 mm時(shí) （即徑高比為1∶1.5時(shí)），能達(dá)到最好的強(qiáng)化效果。Brunold曾通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：當(dāng)腔室長(zhǎng)度約為管徑的1.5倍時(shí)，腔室內(nèi)的流體混合效果是最好的。通過(guò)上面對(duì)流場(chǎng)中各有關(guān)參數(shù)的比較和分析，我們得到了與Brunold相同的結(jié)論。

4 結(jié)論

在新型過(guò)程強(qiáng)化裝置中，擋板的間距并不是越大越好。本文基于Fluent軟件，用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)流體中質(zhì)點(diǎn)的速度分布情況，得出了當(dāng)裝置的擋板間距為管徑值的1.5倍時(shí)，流體中流體質(zhì)點(diǎn)的各參數(shù)均達(dá)到最大值，此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)最為活躍，最有利于過(guò)程的強(qiáng)化。

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