黃磷脫砷中文丘里反應器的流固耦合研究

王曉靜，李曉悅

(天津大學化工學院，天津 300072)

黃磷是眾多含磷化合物的基本原料，隨著市場對高純度磷化工制品數(shù)量和質(zhì)量提出了新的要求，有必要對高純度黃磷制備的工藝技術(shù)進行進一步的研究。通常，黃磷脫砷工藝利用機械攪拌器使黃磷與氧化性介質(zhì)混合反應，進而達到凈化效果[1]。然而，使用機械攪拌存在很多不足之處，諸如處理后含砷量高，產(chǎn)品純度低，大規(guī)模生產(chǎn)安全性差等。為解決這些問題，運用兩相射流混合技術(shù)，用雙氧水連續(xù)氧化脫除工業(yè)黃磷(砷質(zhì)量分數(shù)在400×10-6以上) 中的砷而制取低砷磷(砷質(zhì)量分數(shù)低于10×10-6) 的技術(shù)近年來發(fā)展迅速。

文丘里反應器是利用噴射技術(shù)和射流紊動擴散作用研制出來的流體機械[2]。由于本身沒有運動部件，因而結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，制造容易，安裝維護方便，密封性好，便于綜合利用，在許多工藝流程中如化學工業(yè)、石油開發(fā)等領(lǐng)域應用具有明顯的優(yōu)越性和不可替代性。目前，針對文丘里的尺寸優(yōu)化[3-5]、流場模擬[6-8]和實驗研究[9-11]等成果較多，但通常是從理論分析和實驗研究上進行相關(guān)研究，而將其用于具體的化工過程——黃磷脫砷過程的流固耦合研究并不多見，鑒于高速雙氧水流體對文丘里及噴嘴產(chǎn)生了一定程度的沖擊，因此有必要對文丘里反應器的結(jié)構(gòu)性能進行相應研究和分析。

本研究采用FLUENT模擬得到文丘里內(nèi)部流場，并結(jié)合結(jié)構(gòu)靜力分析考察噴嘴及文丘里內(nèi)壁面的應力、應變分布規(guī)律，探索高速流體的沖擊對文丘里內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響情況，為將來文丘里反應器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供可以參考的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

1　幾何模型

文丘里反應器主要由吸入管、吸入室、噴嘴、混合室、擴散管、引流管等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　文丘里引射反應器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of Venturi ejector reactor

文丘里反應器的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)黃磷脫砷工藝的流程處理需要，將雙氧水與液態(tài)黃磷的流量之比控制在10∶1到5∶1的范圍時脫砷效果較為良好，在此基礎(chǔ)上參照經(jīng)驗公式[2]確定如表1所示。

表1　結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

2　流固耦合計算模型

2.1　基本假設(shè)

對于黃磷脫砷中的文丘里反應器來說，受內(nèi)流場的影響，噴嘴出口處的變形量較小，故不考慮結(jié)構(gòu)場變化對于流體流場的影響，該過程是把CFD分析計算的結(jié)果傳遞給固體結(jié)構(gòu)分析，但沒有固體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果傳遞給流體分析的過程。涉及到的流固耦合通過ANSYS Mechanical APDL+FLUENT的單向流固耦合進行分析，并做出基本假設(shè)[12]：不考慮流體的壓縮性和空化效應；固體介質(zhì)為各向同性線彈性，不考慮孔隙壓力影響。

2.2　計算模型及邊界條件

對于文丘里反應器內(nèi)流場計算及噴嘴結(jié)構(gòu)場計算，本研究分別建立流場計算和結(jié)構(gòu)場計算的三維幾何模型。利用Gambit 2.3.16軟件分別繪制文丘里反應器設(shè)備結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流場計算域，分別見圖2和圖3。將文丘里反應器和實體模型和流體計算域模型完整地轉(zhuǎn)換到ANSYS靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊中，并利用其中的自動劃分網(wǎng)格法，采用SOLID187結(jié)構(gòu)實體單元，對文丘里結(jié)構(gòu)進行有限元網(wǎng)格劃分。為了確保流場載荷能夠精確地傳遞到流體和固體耦合的交界面上，將兩個求解域在各自求解器中的坐標保持一致。

圖2　文丘里反應器固體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.2　Grid division model of Venturi ejector reactor-solid domain

圖3　文丘里反應器流體域網(wǎng)格劃分圖Fig.3　Grid division model of Venturi ejector reactor-fluid domain

模擬中文丘里材料為Q345R，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，許用應力為170 MPa，抗拉強度為510 MPa；由于雙氧水的物性參數(shù)與水相似，故將流體介質(zhì)設(shè)置為水。

邊界條件設(shè)置根據(jù)文丘里反應器實際情況，分別對文丘里和噴嘴的入口端面添加固定約束Fixed Support。在文丘里反應器中，由于沒有運動部件，因此慣性載荷不存在，載荷只需考慮流體載荷帶來的影響。將由FLUENT流體計算得到的壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過ANSYS Workbench傳輸并映射到結(jié)構(gòu)的相應表面，完成流體載荷的施加。

3　模擬結(jié)果與討論

3.1　內(nèi)部流場的分布特點

選取工作壓力為0.1 MPa時的工作狀態(tài)為例，繪制反應器內(nèi)部工作流體(雙氧水)和引射流體(液態(tài)黃磷)沿軸向的壓力和速度分布特點曲線如圖4和圖5所示。

圖4　文丘里反應器軸向壓力變化Fig.4　The changes of pressure in different location

從圖4中可以看出，具有一定初始壓力的工作流體(雙氧水)進入噴嘴收縮段后，壓力逐漸降低，從噴嘴噴出后，在吸入室內(nèi)形成一定程度的負壓區(qū)，從而將低壓的引射流體(液態(tài)黃磷)吸入反應器，兩股不同壓力的流體在喉管內(nèi)經(jīng)過傳質(zhì)傳能后從擴散管流出，在擴散管中，混合液體的壓力逐步提高。

圖5　文丘里反應器軸向速度變化Fig.5　The changes of velocity in different location

從圖5中同樣可以看出，雙氧水在噴嘴出口的速度達到最大，隨著黃磷的吸入，二者在混合的過程中由于黏性力的存在，黃磷速度不斷得到提升，而雙氧水的速度逐漸降低，最終在喉管出口附近區(qū)域二者速度基本達到一致。

在喉管的橫截面上選取不同軸向距離和不同徑向距離的點，考察不同位置處管內(nèi)流動特點，如靠近壁面與遠離壁面、喉管入口與喉管出口處的速度差異。選擇軸向距離為z=225、240、256、272和288 mm等5個特征位置和r=0、2.25、4.50、6.75和9.00 mm等5個徑向特征位置組合成25個不同的位置點，喉管內(nèi)的取點分布如圖6所示。分別以r/rmax和u/umax為橫縱坐標，其中rmax=9 mm，umax為不同軸向距離軸心處的最大速度值，得到的曲線如圖7所示。

圖6　喉管上的取點分布Fig.6　The distribution of points in the throat

圖7　文丘里反應器混合室內(nèi)不同位置點處的速度變化Fig.7　Changes of velocity in different location in the throat

從圖7中可以看出，在靠近內(nèi)壁面的位置，由于黏性力的存在，流體的速度幾乎為0。在喉管入口附近，即z為225和240 mm的位置處，由于工作流體和引射流體二者還沒有充分混合，因此存在著較為明顯的速度差；隨著軸向距離的增大，由于黏性力的存在，兩股流體的速度差越來越小，在曲線上表現(xiàn)出來的結(jié)果也是越來越平緩，說明流體的混合越來越充分。

3.2　結(jié)構(gòu)靜力學分析

分別選取工作壓力為0.1、0.2、0.3和0.4 MPa流場結(jié)果數(shù)據(jù)并傳遞到Static Structure中進行結(jié)構(gòu)靜力分析。同時，為了能清晰地觀察結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力應變情況，故通過結(jié)構(gòu)的對稱平面截取結(jié)構(gòu)的一半進行分析和研究。

圖8是文丘里反應器的結(jié)構(gòu)在0.1 MPa工作壓力流體耦合作用后得到的變形前后對比圖，為了清楚地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的趨勢，將變形按實際變形的2倍進行顯示。從圖8中可以看出，文丘里反應器的擴散管尾部有向吸入管相反的方向變形的趨勢，但是，由于此變形量在數(shù)值上非常小，因此，可以忽略不計。

圖8　文丘里反應器變形前后的對比Fig.8　The comparison before and after deformation

圖9　文丘里反應器內(nèi)部和外部的應變對比Fig.9　The internal and external comparison of equivalent elastic strain

圖10　不同工作壓力下文丘里反應器的應變對比Fig.10　The comparison of equivalent elastic strain with different working pressure

圖9是文丘里反應器的結(jié)構(gòu)在0.1 MPa工作壓力流體耦合作用后得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部應變對比圖，可以看出，由于工作流體直接與結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行流固耦合作用，而結(jié)構(gòu)有一定的壁厚，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應變比外部的大，最大應變值集中在噴嘴的內(nèi)部流道中。

圖10和圖11分別是在0.1、0.2、0.3 和0.4 MPa的工作壓力條件下，將流場結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞到Static Structure中進行結(jié)構(gòu)靜力分析得到的應變和應力分布云圖，云圖從上到下工作壓力依次增大，可以看出，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，噴嘴內(nèi)的流體壓力是整個流場中壓力最大的區(qū)域，因此最大應變和應力值均集中在噴嘴的內(nèi)流道上。同時，由于高速流體射流作用，在噴嘴出口處的應變和應力值也較之文丘里其他部分結(jié)構(gòu)所顯示出的數(shù)值要大。另一方面，隨著工作壓力的提高，相應的應變和應力值也提高。從數(shù)值上看，應變和應力值都處于很低的水平，能夠滿足工況的要求。

圖11　不同工作壓力下文丘里反應器的應力對比Fig.11　The comparison of equivalent stress with different working pressure

圖12為不同工作壓力條件下文丘里反應器在z方向上的應變分布云圖。

圖12　不同工作壓力下文丘里反應器z方向的應變對比Fig.12　The comparison of equivalent elastic strain with different working pressure at z direction

由圖12可以看出，在吸入管的同一側(cè)，擴散管受到拉應力的作用，而在吸入管相反的一側(cè)，擴散管受到壓應力的作用，因此出現(xiàn)了擴散管尾部向吸入管相反方向彎曲的趨勢。另一方面，對于噴嘴而言，由于流體高速的射流作用，導致噴嘴出口區(qū)域基本都收到拉應力的作用。

對于較低水平的工作壓力來說，由于應力值較低，因此結(jié)構(gòu)的性能能夠滿足工況的要求，但是當工作壓力明顯提高時，結(jié)合實際情況來對結(jié)構(gòu)進行進一步的綜合分析，以便對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和改進，保證結(jié)構(gòu)能夠在運行中不出現(xiàn)問題是非常必要的。

4　結(jié)論

應用FLUENT軟件，采用Phase Coupled Simple算法和Realizablek-ε湍流模型，模擬了在其他尺寸參數(shù)相同的條件下不同噴嘴直徑表現(xiàn)出的文丘里引射反應器工作性能和內(nèi)部流場變化情況。主要結(jié)論如下。

1) 通過對文丘里反應器內(nèi)部流場的模擬計算，驗證了設(shè)備內(nèi)沿軸向的速度和壓力分布特點。在該結(jié)構(gòu)尺寸下，通過分析喉管內(nèi)不同特征點的速度值，得知在喉管出口處的流體基本達到均勻狀態(tài)。

2) 在特定工作壓力條件下，文丘里反應器的擴散管在工作中有向吸入管相反方向變形的趨勢。吸入管一側(cè)的擴散管受拉應力影響，吸入管相反一側(cè)的擴散管受壓應力影響。

3) 在整個結(jié)構(gòu)中，最大應力和應變值均集中在噴嘴內(nèi)流道中。由于高速流體的射流作用，噴嘴出口附近結(jié)構(gòu)主要承受拉應力的作用。由于計算得到的應力和應變數(shù)值均處于較低水平，因此結(jié)構(gòu)能夠滿足工況的要求。

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