三聚氰胺結晶器流場模擬與結構優化

寇小鑫

四川能投建工集團設計研究院有限公司 成都 610000

陳光輝

青島科技大學 青島 266000

三聚氰胺是一種用途廣泛的基本有機化工中間產品，不僅用于生產三聚氰胺甲醛樹脂(MF)，在阻燃劑、減水劑、甲醛清潔劑等材料生產[1-3]及造紙、紡織、皮革、電氣、醫藥等行業應用也十分廣泛[4-5]。根據原料路線不同，三聚氰胺的生產方法有雙氰胺法和尿素法。雙氰胺法工藝由于各項技術經濟指標遠低于尿素法工藝而逐步被淘汰；尿素法成為今后的發展方向[6-8]，尿素法按熔融尿素熱解壓力的不同，可分為高壓法[9]、低壓法[10-11]和常壓法[12]。

21世紀，我國開發了低壓氣相淬冷法生產工藝，該工藝具有投資少、流程短、生產成本低、環保壓力小等優點[13]。該工藝中，由熱氣過濾器來的熱工藝氣與由液尿洗滌塔來的淬冷氣在結晶器中進行傳質傳熱，凝華生成三胺產品。結晶控制是其中重要環節之一，將直接影響三胺產品的產量和品質。但三聚氰胺裝置運行一定周期后，結晶器器壁上會產生結垢，將影響設備的正常運行，并在運行一段時間后塌落至結晶器底部，即結晶器塌料(垮料)。該現象可阻塞結晶器氣相出口，造成系統壓力波動、載氣壓縮機振值波動、產品質量和產量的波動，甚至造成氣相管線堵塞、系統停車。結晶器塌料，是三聚氰胺生產中嚴重危害裝置穩定運行的原因之一，因此，對其現象和發生的根源進行研究，并提出有效對策，是實現工藝穩定控制和安全生產的關鍵[14-16]。

本文將利用數值計算方法分析現有結晶器中三聚氰胺的濃度場、氣體溫度場、流場跡線等，并基于數值模擬結果提出了結晶器結構優化方案，并研究優化后結晶器內濃度場、溫度場等的變化規律。

1 數學模型及參數設定

1.1 數學模型

常用的湍流模型有三類：直接數值模擬方法(DNS)、大渦模擬方法(LES)和基于Reynolds平均方程的湍流模式理論(RANS Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations)即雷諾平均法[17]。

雖然DNS方法直接用瞬時的Navier-Stokes方程對湍流進行計算，但其需要更精細的網格、更大的計算機內存空間和更強的CPU處理能力，因此，DNS方法目前還無法用于真正意義上的工程計算。與DNS方法類似，LES雖然考慮了大渦的各向異性，注重對大尺度分量的數值計算，但對計算機內存空間和CPU速度的要求仍比較高。與DNS和LES不同，時均Reynolds方程具有計算量小、計算精度高等特點，因此，在進行湍流問題處理時，雷諾平均法的使用更加廣泛。

本文選擇可靠性高、經濟性好的標準k-ε方程計算Reynolds時均方程中的湍流脈動應力模型用于研究結晶器內部流場。標準k-ε方程引入的湍動能和湍流耗散率見公式(1)和(2)：

(1)

(2)

湍流粘度μt被表示成湍動能k和湍流耗散率ε的函數：

(3)

湍動能k和湍流耗散率ε可由方程(4)、(5)計算：

(4)

(5)

式中，Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，可由式(6)進行計算：

(6)

式中，C1ε，C2ε，Cμ，σk，σε為經驗常數，由基本的湍流流動實驗確定，其值如下：

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.99,σk=1.0,σε=1.3

(7)

1.2 幾何模型及網格劃分

數值計算中的三聚氰胺結晶器幾何模型依據現有結晶器進行構建，結構示意圖見圖1，其幾何尺寸見圖2。

圖1 現有結晶器結構示意圖

圖2 現有結晶器原型尺寸

依據結晶器實際尺寸，采用Gambit軟件構建模型并生成網格，建立的網格為非結構化網格，見圖3。

圖3 網格劃分

為了提高計算成功率，及時排查Skewness偏斜率較大的網格并予以修正，最終生成網格數量為200萬。

1.3 邊界條件

在本文模擬中，結晶器熱氣、冷氣進口均為氣相，其中熱氣溫度為613.15K，壓力為0.55MPa，氨氣、二氧化碳、三聚氰胺體積分數分別為65%、30%、5%；冷氣溫度為423.15K，壓力為0.55MPa，氨氣、二氧化碳體積分數分別為68.4%、31.6%。氨氣、二氧化碳均設置為理想氣體。

結晶器出口設置為壓力出口，出口處為充分發展狀態，即各個變量的法向梯度為零。

結晶器內壁設置為無滑移邊界，默認壁面粗糙度為0.5。由于在靠近固體壁面的區域內，湍流底層的粘性作用增強而湍流擴散相對減弱，致使作用于高雷諾數下的湍流輸運方程已不能嚴格有效，所以，采用標準壁面函數法處理邊界湍流。

2 結果與討論

2.1 現有結晶器流場分析

2.1.1 氣體溫度分布

結晶器縱向剖面上的氣體溫度分布圖見圖4。

圖4 現有結晶器中氣體溫度分布圖

從圖4可知，高溫區域為結晶器中心線附近區域及底部區域，設備底部區域氣體溫度為460～480K。在結晶器中心線上，溫度自上而下呈現遞減趨勢，由噴嘴進入的冷氣主要分布于結晶器中上部的邊壁處，冷熱氣體的熱交換主要發生在結晶器中軸線附近。

2.1.2 三聚氰胺濃度分布

結晶器縱向剖面上的三聚氰胺濃度分布圖見圖5。

圖5 現有結晶器中三聚氰胺濃度分布圖

從圖5中可以看出，三聚氰胺濃度分布規律與結晶器內氣溫度分布規律基本一致，三聚氰胺組分主要集中在結晶器中心線附近區域及底部區域，且處在中心線附近的三聚氰胺濃度分布呈現出自上而下遞減的趨勢。在結晶器中上部，距離中心線越遠，三聚氰胺濃度越低，靠近壁面處的三聚氰胺濃度約為0.1～0.2mol/m3；與結晶器中上部相比，處在結晶器底部區域的三聚氰胺濃度分布更加均勻，其濃度為0.3～0.4mol/m3。

不同濃度三聚氰胺包絡面立體圖見圖6。

圖6 現有結晶器中不同濃度三聚氰胺包絡面立體圖

從圖中可以看出，在整個結晶器中，三聚氰胺濃度分布呈現由中心向四周遞減的趨勢，但在冷氣噴嘴以下，仍存在0.3mol/m3的較高濃度區域，說明三聚氰胺熱氣凝華不完全，熱氣中仍有三聚氰胺組分存在。

2.1.3 流場跡線

結晶器內部流場跡線圖見圖7。

圖7 現有結晶器中流場跡線圖

由圖7可以看出，由結晶器頂部噴入的熱氣垂直向下運動，主要集中在結晶器的中部。兩側進口噴入的冷氣沿結晶器的邊壁處向上運動，受器壁和中心處熱氣流動軌跡的影響，在噴嘴的上部和下部均形成了明顯的橢圓狀漩渦。冷熱氣體的流動軌跡表明，在現有的結晶器中，兩種氣體僅在中軸線附近發生接觸及傳質傳熱，熱氣自結晶器頂部進入后，靠近中心處的氣體難以與噴嘴處的冷氣接觸。由于進入的熱氣速度較快，中心區域氣體停留時間較短，導致了熱氣中三聚氰胺組分凝華不徹底，影響結晶效果。

2.2 結晶器結構優化

由上述結晶器中三聚氰胺濃度場、氣體溫度場、流場跡線分布規律可知，熱氣自頂部進入結晶器后，沿著中心線自上而下運動，使整個結晶器內濃度、溫度分布均呈現出自中心向四周遞減的趨勢，這就導致三聚氰胺整體停留時間較短、冷熱氣體接觸不充分，結晶器的傳質傳熱效率較低。

針對以上問題，提出結晶器的結構優化方案，見圖8。

圖8 優化后結晶器結構示意圖

冷氣由上下兩層、共24個噴嘴噴入，上下兩層噴射角度由原來的垂直噴射改為45°傾角噴射。

2.3 優化后結晶器流場分析

2.3.1 氣體溫度分布

優化后結晶器中氣體溫度分布圖見圖9。

圖9 優化后結晶器中氣體溫度分布圖

由于兩層45°的噴嘴帶來的冷氣對中心處高溫熱氣產生強烈沖擊，最終使高溫區域主要集中在結晶器上部區域，溫度集中在500～560K之間；中下部區域溫度分布更加均勻，溫度大約為460～480K。

2.3.2 三聚氰胺濃度分布

優化后結晶器中三聚氰胺濃度分布圖見圖10。

圖10 優化后結晶器中三聚氰胺濃度分布圖

由圖10可以看出，三聚氰胺濃度分布與氣體溫度分布特征類似，三聚氰胺濃度分布更加均勻，這是因為從45°的噴嘴中噴射出的冷氣對熱氣的向下運動阻礙作用。在上下兩層噴射冷氣的作用下，三聚氰胺熱氣停留時間增加，結晶器上部區域的三聚氰胺濃度值遠大于下部區域的濃度值。且壁面處三聚氰胺濃度較低，可有效減小三聚氰胺在壁面沉積和降低結晶器塌料現象的發生頻率。

2.3.3 流場跡線

優化后結晶器中流場跡線圖見圖11。

圖11 優化后結晶器中流場跡線圖

由圖11可以看出，該組流場以漩渦流為主要特征，由兩層45°的噴嘴提供冷氣，會增強噴射氣流的動能。攜帶較大動能的冷氣與來自頂部的熱氣體接觸后，發生強烈的碰撞，阻礙其運動，在整個結晶器中無明顯垂直向下的氣流運動。這是因為來自冷氣流的強大阻力改變了熱氣流原有的垂直運動路徑，增大了熱氣流的停留時間，使處于中心位置的高溫度、高濃度的三聚氰胺可以與來自噴嘴的冷氣充分接觸，并強化傳質傳熱。

3 實施效果

優化改造前，因結晶器超溫、塌料、出口管線堵塞導致裝置頻繁停車，三聚氰胺裝置的運行周期僅為60天左右，雖經一系列的工藝與設備改造，也僅延長至100天左右[18]。在廣西某廠新建三聚氰胺裝置中，采用了本優化方案設計的結晶器后，裝置已連續穩定運行150天以上，未出現因結晶器導致的裝置停車現象，改造效果良好。

4 結語

本文利用數值計算方法研究了三聚氰胺結晶器內氣體溫度分布、三聚氰胺濃度分布、流場跡線等，結論如下：

(1)在三聚氰胺結晶器內，三聚氰胺濃度與溫度分布均呈現出由中心向四周遞減的趨勢。底部區域三聚氰胺濃度較大、氣體溫度較高，冷熱氣流接觸不充分。

(2)提出了結晶器的優化改進方案，冷氣由上下兩層噴嘴噴入，上下兩層噴嘴由原來的垂直噴射改為45°傾角噴射。

(3)優化后結晶器中冷氣氣流對熱氣氣流的垂直向下運動產生較強的阻礙作用，增加了三聚氰胺在結晶器內的停留時間，強化了不同氣流之間的傳質傳熱，同時，可有效降低三聚氰胺的壁面沉積，提高結晶器的運行效率。