新型內(nèi)置擾流子空冷式化學(xué)反應(yīng)器的開發(fā)設(shè)計

李 鍇 虞 斌

（南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院）

中華人民共和國食品安全法規(guī)定，食品添加劑是為改善食品品質(zhì)和色、香、味以及為了防腐、保鮮和加工工業(yè)的需要而加入食品中的化學(xué)合成或天然物質(zhì)。 按照用途的不同，我國《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》［1］將食品添加劑分為23類，主要包括酸度調(diào)節(jié)劑、抗氧化劑、漂白劑、著色劑、增味劑、防腐劑及甜味劑等。 食品添加劑行業(yè)不僅為中國食品工業(yè)和餐飲業(yè)的發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支持和保障，而且已經(jīng)成為促進其高速創(chuàng)新發(fā)展的動力和源泉［2］。

食品添加劑現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域，其品種繁多，應(yīng)用各異，生產(chǎn)工藝也各不相同。 在生產(chǎn)某種食品添加劑時，兩種原材料在化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)混合發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物，為滿足該食品添加劑的生產(chǎn)工藝要求，筆者開發(fā)設(shè)計了一種新型內(nèi)置擾流子不均勻散熱的空冷式化學(xué)反應(yīng)器。

1 內(nèi)置擾流子不均勻散熱空冷化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計

1.1工藝要求

某食品添加劑生產(chǎn)工藝過程中的化學(xué)反應(yīng)過程工藝參數(shù)如下：

反應(yīng)物流量qv4.8m3/h

反應(yīng)總時長t 5min

反應(yīng)總熱量Q 227kW

反應(yīng)最佳溫度T 90℃

反應(yīng)最高溫度 低于110℃

為提高產(chǎn)物收率，需使化學(xué)反應(yīng)過程保持最佳反應(yīng)溫度，并且要求在反應(yīng)總時長的前1min里散熱量為總熱量的60%， 后4min里散熱量為總熱量的40%。

1.2反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對該食品添加劑的生產(chǎn)工藝要求，采用管式反應(yīng)器進行化學(xué)反應(yīng)，并在外部采用風(fēng)冷裝置將熱量散出以保持最佳反應(yīng)溫度，達到減少能源消耗，提高經(jīng)濟效益的目的［3］。與傳統(tǒng)空氣冷卻器不同的是，內(nèi)置擾流子不均勻散熱空冷化學(xué)反應(yīng)器是用管式反應(yīng)器替代空氣冷卻器的管束部分，在管式反應(yīng)器內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)，并在反應(yīng)器內(nèi)部加入隨動式擾流裝置——擾流子，提高反應(yīng)物的混合程度，更好地實現(xiàn)生產(chǎn)過程中不均勻散熱的要求，達到強化傳熱的目的［4］。內(nèi)置擾流裝置如圖1所示。

圖1 內(nèi)置擾流裝置示意圖

2 內(nèi)置擾流子空冷式化學(xué)反應(yīng)器熱力計算

2.1管束規(guī)格和數(shù)量的選擇

由于生產(chǎn)工藝的要求，反應(yīng)熱與反應(yīng)時間存在一定的關(guān)系， 為了實現(xiàn)不均勻散熱的特性，對此化學(xué)反應(yīng)器進行設(shè)計計算時需要分兩段進行，并且為了方便對工藝過程進行調(diào)控，化學(xué)反應(yīng)在單管程內(nèi)完成熱量交換。 化學(xué)反應(yīng)器的第Ⅰ段采用φ48mm×3mm 規(guī)格的換熱管， 第Ⅱ段采用φ68mm×3mm規(guī)格的換熱管， 因此可以得出在反應(yīng)時長的前1min里，管內(nèi)流體流過的長度L1=u1t1=qvt1/A1=57.74m，在后4min內(nèi)，管內(nèi)流體流過的長度L2=105.99m。

為方便化學(xué)反應(yīng)器的布置， 減小其占地面積，并強化傳熱效果，在翅片管內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)。翅片管選用高頻螺旋焊翅片管，化學(xué)反應(yīng)器前后兩段翅片管的參數(shù)見表1。 取每根管長l為2m，每列管子數(shù)N為4，采用錯排排列方式，翅片管管心距見表2。 采用串聯(lián)的方式連接每根翅片管構(gòu)成單管程，管束布置方式示意圖如圖2所示。 則化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段單根長度為2m的翅片管數(shù)量n1為29根，第Ⅱ段單根長度為2m的翅片管的數(shù)量n2為53根。

表1 翅片管的主要參數(shù) mm

表2 翅片管管心距 mm

圖2 管束布置方式示意圖

2.2空氣出口溫度的校核

空氣入口溫度t1為20℃， 假設(shè)化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段空氣出口溫度t2為50℃， 第Ⅱ段空氣出口溫度t3為70℃。 則第Ⅰ段的定性溫度為35℃，第Ⅱ段的定性溫度為60℃。 設(shè)定空氣流速U=7m/s，管束迎風(fēng)面積AF為：

其中，Nf為每米翅片管上的翅片數(shù)，化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段每米翅片管上的翅片數(shù)為166片， 第Ⅱ段每米翅片管上的翅片數(shù)為71片。則空氣風(fēng)量V=UAF=7×0.60×3600=15120m3/h， 取空氣風(fēng)量V=15000m3/h，根據(jù)熱負(fù)荷計算公式，化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ、Ⅱ段的換熱量Q1、Q2分別為：Q1=144.03kW，Q2=88.78kW。 熱負(fù)荷計算公式為：

式中 Cpa——空氣在定性溫度下的比熱容，近似取Cpa=1.005kJ/（kg·℃）；

ρa——空氣在定性溫度下的密度，近似取ρa=1.06kg/m3。

化學(xué)反應(yīng)器為滿足工藝過程的散熱要求，其兩段所需最低換熱量QⅠ、QⅡ分別為QⅠ=Q×60%=136.2kW，QⅡ=Q×40%=90.8kW。 因為QⅠ＜Q1且QⅡ＞Q2，則化學(xué)反應(yīng)器第Ⅱ段的換熱量不滿足工藝過程的散熱要求，需要調(diào)整空氣風(fēng)量或者化學(xué)反應(yīng)器第Ⅱ段的出口溫度。 若化學(xué)反應(yīng)器滿足最低換熱量的要求，則反應(yīng)器第Ⅰ段出口處空氣最低溫

化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段出口處空氣的設(shè)計溫度與實際要求的最低溫度的偏差φ1=2.46%，則假設(shè)的化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段空氣出口最低溫度tⅠ可以作為實際出口溫度。 反應(yīng)器第Ⅱ段出口處空氣最低溫度tⅡ為69.18℃，偏差φ2=1.17%，故假設(shè)的化學(xué)反應(yīng)器Ⅰ、 Ⅱ段的空氣出口溫度t2、t3均可作為各段的實際出口溫度。 因此需調(diào)整空氣風(fēng)量V為16 000m3/h，此時化學(xué)反應(yīng)器的第Ⅱ段的換熱量Q2為94.69kW，大于第Ⅱ段所需最低換熱量QⅡ，滿足工藝要求。

2.3傳熱面積的校核

化學(xué)反應(yīng)器翅片管的翅片面積Af和翅根面積Ar的計算公式為［5］：度為：

其中，df為翅片管的翅片外徑，m；dr為翅片管的翅片根徑，m。則化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段翅片管的翅片面積Af1=84.93m2、 翅根光管面積Ar1=7.29m2，翅片總面積AΣ1=Af1+Ar1=92.22m2；化學(xué)反應(yīng)器第Ⅱ段翅片管的翅片面積Af2=96.81m2、翅根光管面積Ar2=20.72m2，翅片總面積AΣ2=Af2+Ar2=117.53m2。

化學(xué)反應(yīng)器Ⅰ、 Ⅱ段的對數(shù)平均溫差ΔTm1=53.61℃、ΔTm2=28.85℃，取以翅片管外總表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)K=30W/（m2·℃）， 則化學(xué)反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ段能滿足工藝要求的最小傳熱面積A1=QⅠ/KΔTm1=84.69m2，A2=QⅡ/KΔTm2=104.91m2。 則化學(xué)反應(yīng)器Ⅰ、 Ⅱ段傳熱面積的面積富裕量CR1=8.17%，CR2=10.74%。 因此，化學(xué)反應(yīng)器實際選用的傳熱面積滿足工藝要求。

3 內(nèi)置擾流子空冷式化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1管束數(shù)量的調(diào)整

為方便管束的布置，將化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段單根長度為2m的翅片管數(shù)量增加至32根，第Ⅱ段單根長度為2m的翅片管數(shù)量增加至56根。此時化學(xué)反應(yīng)器第Ⅰ段的傳熱面積為101.77m2， 傳熱面積的面積富裕量為16.78%；化學(xué)反應(yīng)器第Ⅱ段的傳熱面積為124.18m2， 傳熱面積的面積富裕量為15.52%。 通過調(diào)整化學(xué)反應(yīng)器的管束數(shù)量，翅片管總數(shù)量為88根，其中，φ48mm×3mm規(guī)格的翅片管為8列，φ68mm×3mm規(guī)格的翅片管為14列。 管束數(shù)量經(jīng)過調(diào)整后，化學(xué)反應(yīng)器兩段的傳熱面積的富裕量相當(dāng)，且滿足工藝要求。

3.2外部結(jié)構(gòu)設(shè)計

為減小化學(xué)反應(yīng)器的占地面積，使之結(jié)構(gòu)緊湊，故化學(xué)反應(yīng)器采用雙層布置，末端設(shè)置空氣轉(zhuǎn)向室，空氣在轉(zhuǎn)向室內(nèi)實現(xiàn)180°的轉(zhuǎn)向進入化學(xué)反應(yīng)器下層繼續(xù)進行換熱。 化學(xué)反應(yīng)器采用雙層布置后，管束部分的布置如圖3所示。 化學(xué)反應(yīng)器外部結(jié)構(gòu)框架中各個板的厚度均取10mm，導(dǎo)流板的厚度為5mm。 化學(xué)反應(yīng)器外部總體結(jié)構(gòu)尺寸為：高度H=1400mm，長度L=2400mm，寬度B=2800mm，其中B1=400mm，B3=800mm。 為避免空氣在從化學(xué)反應(yīng)器上部進入下部時出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，在化學(xué)反應(yīng)器末端空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)加裝導(dǎo)流板，以減小偏流，提高傳熱效果。 外部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 化學(xué)反應(yīng)器管束部分布置圖

圖4 外部結(jié)構(gòu)示意圖

3.3導(dǎo)流板的安裝

在化學(xué)反應(yīng)器末端的空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)，由于慣性和離心力的作用，空氣流動會出現(xiàn)明顯的流速偏差，出現(xiàn)的偏流現(xiàn)象會影響化學(xué)反應(yīng)器的正常換熱，同時也會導(dǎo)致空氣流動阻力增加［6］。為改善速度分布，采用在轉(zhuǎn)向室內(nèi)設(shè)置空氣導(dǎo)流板的辦法。 設(shè)計良好的導(dǎo)流板可以優(yōu)化空氣流型，降低速度偏差和系統(tǒng)阻力。 加入導(dǎo)流板后的空氣轉(zhuǎn)向室示意圖如圖5所示。其中，AB為空氣轉(zhuǎn)向室空氣入口，E為AB中點；CD為空氣轉(zhuǎn)向室空氣出口，F(xiàn)為CD中點；BC為化學(xué)反應(yīng)器中間隔板， 厚度為10mm。

圖5 加入導(dǎo)流板后空氣轉(zhuǎn)向室示意圖

4 空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)的空氣流場分析

4.1計算模型的建立

分別建立空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)無導(dǎo)流板和有導(dǎo)流板的數(shù)值模型。 轉(zhuǎn)向室內(nèi)的流動為湍流流動，采用RNG k-ε雙方程湍流模型模擬空氣流動［7~9］。RNG k-ε模型考慮大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響， 所得到的湍動能k方程和湍動能耗散率ε方程為［10］：

k方程

ε方程

其中αk和αε分別表示k方向和ε方向上的有效Prandtl數(shù)η0=4.377，β=0.012。

4.2邊界條件的設(shè)定

假設(shè)在轉(zhuǎn)向室入口，空氣水平均勻進入模型區(qū)域。 模型入口（即轉(zhuǎn)向室進口）設(shè)為速度入口（velocity inlet），入口流速為7m/s。 模型出口為壓力出口（pressure outlet），其他壁面為wall，壁面采用無滑移條件。 由于RNG k-ε湍流模型僅對充分發(fā)展的湍流有效， 近壁區(qū)內(nèi)的流動雷諾數(shù)較低，湍流發(fā)展不充分，所以近壁面處的區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來處理并設(shè)定相應(yīng)參數(shù)［11］。 因此，近壁面處的網(wǎng)格需要加密，經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證，考慮計算時間和計算誤差， 選取網(wǎng)格數(shù)為163 068作為計算網(wǎng)格， 可保證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。

4.3數(shù)值模擬的結(jié)果及分析

圖6為空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)無導(dǎo)流板布置時與有導(dǎo)流板布置時的氣體流速云圖。 從圖6可以看出，空氣轉(zhuǎn)向室外拐彎處和在空氣轉(zhuǎn)向室出口上部出現(xiàn)了一定面積的低流速區(qū)域，并且速度明顯低于入口平均速度，存在空氣回流現(xiàn)象。 當(dāng)空氣轉(zhuǎn)向室加裝導(dǎo)流板時， 在內(nèi)部拐角處因氣體產(chǎn)生渦流，出現(xiàn)小面積的高速區(qū)。

圖6 空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)氣體流速云圖

圖7為空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)無導(dǎo)流板布置時與有導(dǎo)流板布置時的出口速度分布曲線。 由圖7可以看出，當(dāng)空氣轉(zhuǎn)向室未安裝導(dǎo)流板時，空氣偏流比較嚴(yán)重，轉(zhuǎn)向室出口處約1/3的范圍內(nèi)空氣速度接近于零，該范圍內(nèi)對應(yīng)化學(xué)反應(yīng)器的管束得不到正常沖刷，會影響化學(xué)反應(yīng)器的散熱，對產(chǎn)物的收率造成影響。 加裝導(dǎo)流板后，流場分布得到明顯改善，空氣出口平面上的負(fù)壓區(qū)和回流區(qū)可忽略，出口的兩段空氣速度變化曲線按比較完整的二次曲線分布。

圖7 空氣轉(zhuǎn)向室出口速度分布曲線

5 結(jié)論

5.1根據(jù)食品添加劑的生產(chǎn)工藝要求，通過熱力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)設(shè)計了新型內(nèi)置擾流子不均勻散熱空冷式化學(xué)反應(yīng)器。 該化學(xué)反應(yīng)器滿足生產(chǎn)工藝要求中的不均勻散熱的特性，即可在反應(yīng)總時長的前1min的時間內(nèi)將60%的反應(yīng)總熱量散出，在后4min的時間內(nèi)將剩余的熱量散出。 并且，該化學(xué)反應(yīng)器可以使生產(chǎn)過程保持最佳反應(yīng)溫度，提高產(chǎn)物的收率。

5.2通過數(shù)值模擬，表明在空氣轉(zhuǎn)向室內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板后，空氣轉(zhuǎn)向室的空氣出口平面上的負(fù)壓區(qū)域和回流區(qū)域面積減小，空氣出口處的兩段空氣速度變化曲線按比較完整的二次曲線分布，空氣進入化學(xué)反應(yīng)器下層后換熱效果更好。 良好的導(dǎo)流板可以優(yōu)化空氣流型，降低速度偏差和系統(tǒng)阻力，使流場分布得到改善，化學(xué)反應(yīng)器的散熱效果更為理想。