旋風式HCl-C2H2混和器的內(nèi)部流場分析

陳以文，楊 清

(武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

聚氯乙烯簡稱PVC,是一種由氯乙烯在引發(fā)劑的作用下聚合而成的熱塑性樹脂，也是我國重要的有機合成材料之一.它廣泛用于工業(yè)，建筑，日常生活，包裝，公用事業(yè)，電力等領(lǐng)域.生產(chǎn)聚氯乙烯的方法主要包括懸浮聚合法，乳液聚合法，本體聚合法.采用電石法，石油法，乙烯法生產(chǎn)VCM單體.本研究主要涉及國內(nèi)主流VCM單體的生產(chǎn)方法——電石法.運用電石法生產(chǎn)VCM單體時，需要將HCl與C2H2混合.旋風式混合器是用于HCl與C2H2混合的重要化工設(shè)備.它是后續(xù)HCl與C2H2充分混合反應(yīng)生成VCM的重要保證，此過程中需要實時的對混合器混合后的氣體進行抽樣檢測.以確保HCl-C2H2的混合比例控制在1∶(1.05～1.10)的范圍之內(nèi).如果處理不當，輕則引起產(chǎn)品質(zhì)量低劣，重則可能造成過氯而引起混合器的爆炸.所以對混合器的設(shè)計與優(yōu)化是極其重要的.如圖1所示為PVC生產(chǎn)線工藝流程圖.

圖1 PVC生產(chǎn)線工藝流程圖

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

旋風式混合器按常溫常壓設(shè)計，由于考慮到在實際的工況下，氯離子對不銹鋼的腐蝕性和非金屬材料諸如樹脂制作設(shè)備的難度.故而采用普通碳鋼Q235作為旋風式混合器的筒體材料，混合器總長為2 000 mm.外筒體的公稱直徑為800 mm.運用Gambit繪制混合器的三維幾何模型，導入到CAE軟件中后，如圖2所示：

圖2 旋風式混合器幾何模型

1.2 有限元模型的建立

依據(jù)創(chuàng)建的實體模型.使用CAE軟件生成有限元模型，并且劃分網(wǎng)格.模擬實際工況下HCl氣體從混合器沿切線偏心進入筒體與套筒夾層內(nèi)的流場情況，本有限元模型中有限元模型的確立依據(jù)常用的CFD技術(shù)確立.對計算結(jié)果進行定性定量分析，并同時考慮實際情況下混合器的特定的工況環(huán)境,從而得到混合器筒體合適的開孔位置和筒體內(nèi)出現(xiàn)的應(yīng)力集中部位,為優(yōu)化旋風式混合器提供了理論依據(jù).有限元模型如圖3.

圖3 旋風式混合器有限元模型

2 計算結(jié)果分析

在圖中建立的有限元模型建立有限元模型后，通過坐標原點作X=0截面，沿著此截面可以更好的觀察筒體與套筒間夾層的流體形態(tài).筆者得到計算結(jié)果中的此截面上套筒與混合器筒體之間的夾層內(nèi)的流體速度矢量圖，如圖4所示.

圖4 夾層X=0截面處速度矢量圖

由圖可知，在HCl和C2H2混合氣體的出口兩側(cè)處速度矢量達到幅值19.8 m/s,在HCl氣體入口處氣體流速則達到14 m/s.可見，在混合器HCl進口及混合器出口位置處氣體的流速較大，此兩處是設(shè)備可能發(fā)生泄漏的重要部位.另外，為觀察筒內(nèi)的夾層的應(yīng)力分布情況，對筒內(nèi)流體的應(yīng)力分布有一個具體的了解，筆者需要從計算結(jié)果中得到總體應(yīng)力分布云圖.對設(shè)備各處的內(nèi)力做一個全面的分析.應(yīng)力分布云圖如下圖5.

圖5 夾層X=0截面處應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

如圖5所示，混合器上側(cè)部外筒體應(yīng)力達到263 Pa.靠HCl進口以下的部位筒體應(yīng)力達到200 Pa.盡管設(shè)備的總體應(yīng)力較小.在設(shè)備的制造過程中仍需做好防酸處理，以防止設(shè)備在后續(xù)使用中出現(xiàn)的化學腐蝕和應(yīng)力腐蝕.

在分析速度矢量時，注意到速度矢量的大小和梯度的同時，還需要關(guān)注周邊漩渦的形成概況，要準確的模擬現(xiàn)實工況下漩渦的位置與強度，需要得到速度等值線圖，速度等值線圖如圖6.

圖6 夾層X=0截面處速度等值線圖

如圖6所示，夾層內(nèi)出現(xiàn)了5個漩渦.其中在混合氣體的出口處最為激烈.出現(xiàn)了緊縮現(xiàn)象.從微觀上講，這些都是氣體分子之間發(fā)生激烈碰撞，交換的位置.

3 結(jié) 語

a.在筒體的入口處，HCl氣體沖擊筒體，在此處的速度矢量梯度是最大的，在此，速度增快加大，且是上半筒體的最大速度的出現(xiàn)位置，在此開孔的話，也可以認為是較佳的位置.兩種流體橫向?qū)α?即可達到最大的程度上的接觸.

b.選擇在1，4漩渦處開第二排孔，是因為此兩處的流體流線較復雜.在空間的各個平面皆有走向，是紊流產(chǎn)生的中心區(qū)域.此處橫縱向皆可產(chǎn)生對流.是較佳的開孔位置.

c.應(yīng)力較大的分布位置在進口靠外筒的上半部和靠外筒的漩渦下部直到錐殼附近.漩渦處與套筒接觸部分應(yīng)力也較大.

d.混合氣體的出口管口處，出現(xiàn)了緊縮現(xiàn)象，此處的速度矢量較大,梯度變化明顯.

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