基于天然氣直燃供熱的合成革定型機(jī)腐蝕成因分析

鄭繼濤，劉康林，李 民，葉彥辰，張經(jīng)偉

(福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

合成革是一種外觀和手感近似于天然皮革并可代替其使用的塑料制品，在中國，其產(chǎn)量以每年10%的速度增長.合成革的定型生產(chǎn)通常采用熱風(fēng)干燥法[1]，干燥過程對燃料和電力的大量需求意味著迫切需要有效利用能源[2-3].傳統(tǒng)的燃煤導(dǎo)熱油加熱法存在耗能高和排放污染等問題，為此，近年來國內(nèi)外普遍推行效率高、環(huán)保、易于操控的天然氣直燃供熱技術(shù)[4-6].然而，這種直燃供熱方式會使定型機(jī)過流部件(如風(fēng)排)內(nèi)出現(xiàn)蒸汽冷凝，冷凝產(chǎn)生的油水造成過流部件的腐蝕和對合成革的污染，嚴(yán)重影響合成革的生產(chǎn)和合成革行業(yè)的發(fā)展[7-8].目前國內(nèi)已有不少學(xué)者對風(fēng)排結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了研究.田松濤等[9]通過模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣流分配室設(shè)計(jì)為梯形體，噴嘴排列形式設(shè)置為三角形排列時(shí)，氣流在每個(gè)噴嘴的出口速度分布最均勻.徐軍等[10]對拉幅定型機(jī)內(nèi)的風(fēng)管流場進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)排氣口氣流出口的方向受風(fēng)管的錐度，擋板角度和高度影響，并得到最佳幾何參數(shù)；之后,他們又對方孔式風(fēng)管、圓孔式風(fēng)管和狹縫式風(fēng)管進(jìn)行流場模擬[11]，并分析了3種不同形狀風(fēng)管的適用場合.吳成成等[12]對風(fēng)道內(nèi)部三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明風(fēng)嘴高度對氣流出風(fēng)的方向影響較大，而風(fēng)道的傾斜角對風(fēng)嘴處氣流速度大小影響較大.代建武等[13]通過建立平板擾流模型來改善干燥機(jī)氣流分配室流場結(jié)構(gòu)，最終提高了噴管速度分布均勻性.劉佳等[14]在風(fēng)道內(nèi)等間距安裝導(dǎo)流板，并指出調(diào)整風(fēng)道錐角可以很大程度改善風(fēng)道內(nèi)氣流分布和噴嘴出口速度的均勻性.現(xiàn)有的研究主要針對空氣為加熱介質(zhì)時(shí)風(fēng)道或者氣流分配室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，沒有考慮天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣為加熱介質(zhì)時(shí)存在水汽多易出現(xiàn)凝結(jié)水的問題，因此也難以解釋風(fēng)排的腐蝕成因和提出有效防腐措施，此外，研究沒有注意到風(fēng)排入口低壓區(qū)的存在及其危害.鑒于此，本研究以加熱溫度低、最易出現(xiàn)凝結(jié)水和嚴(yán)重腐蝕的合成革干法生產(chǎn)線中的箱式干燥機(jī)為研究對象，通過計(jì)算機(jī)模擬研究天然氣直燃供熱時(shí)定型干燥過程中蒸汽凝結(jié)和腐蝕的形成機(jī)理，并為合成革的干燥定型提出解決安全隱患的措施.

1 模型和方法

1.1 流體力學(xué)基本控制方程和數(shù)值模擬計(jì)算方法

箱式干燥定型機(jī)由空氣通道、緩沖室、進(jìn)氣管、循環(huán)風(fēng)扇和風(fēng)排結(jié)構(gòu)組成.干燥機(jī)中的熱風(fēng)氣流主要為穩(wěn)定流動(dòng)，流動(dòng)速度較小，屬于不可壓縮流體.流體遵循基本流量控制方程，包括質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程.流場控制方程是：

(1)

其中：vi和wi表示流速，單位為m·s-1；t表示時(shí)間，s；ρ表示密度，kg·m-3.

管道中的氣流主要處于完全發(fā)展的湍流狀態(tài).標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型足以解決本研究中風(fēng)排模型的流動(dòng)問題.標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程可表示如下

(2)

其中:Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的生成項(xiàng);μt是湍流粘性系數(shù).C1、C2是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值分別為1.44、1.92；σk和σε分別是對應(yīng)于動(dòng)能k和耗散率ε的Prandtl數(shù).

研究采用流體力學(xué)仿真軟件FLUENT進(jìn)行模擬.綜合考慮計(jì)算效率、求解精度、結(jié)構(gòu)尺寸和流動(dòng)特性，選用基于壓力的求解器.考慮到箱式干燥的工況穩(wěn)定，干燥機(jī)中氣流的流動(dòng)基本上是穩(wěn)定流動(dòng)，故選擇穩(wěn)態(tài)計(jì)算.氣流湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型.入口氣體為干燥空氣和水蒸氣的混合物，使用組分運(yùn)輸模型.在求解Navier-Stokes方程時(shí)，采用SIMPLIEC算法處理壓力和速度的耦合問題.

1.2 有限元建模

合成革定型干燥機(jī)如圖1(a)所示，每節(jié)規(guī)格為6 000 mm×2 420 mm×2 000 mm.合成革的入口和出口位于干燥機(jī)前后兩側(cè).熱空氣由風(fēng)排底部噴嘴噴射到皮革的上表面進(jìn)行干燥.干燥機(jī)頂部設(shè)置4個(gè)排氣口，排出干燥過程中產(chǎn)生的濕氣.為了便于研究，選取一節(jié)烘箱為研究對象，如圖1(b)所示.對烘箱模型做如下簡化：保留干燥機(jī)內(nèi)的風(fēng)排結(jié)構(gòu)、合成革和干燥機(jī)的外壁面，原本位于合成革下方的供熱結(jié)構(gòu)不在本模型中出現(xiàn)；將熱空氣入口設(shè)置在箱式干燥機(jī)的左右兩側(cè)，且兩邊的入口邊界條件一致.

圖1 箱式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of stenter dryer

1.3 邊界條件和材料參數(shù)設(shè)置

干燥機(jī)左右側(cè)的熱風(fēng)入口設(shè)置為速度入口邊界條件[15-16].頂部排風(fēng)口布置的排風(fēng)風(fēng)扇排氣量為8 000 m3·h-1，4個(gè)排氣口的尺寸均為300 mm×200 mm.因此，干燥機(jī)頂部排風(fēng)口的邊界條件可以轉(zhuǎn)換為9 m·s-1的速度出口.合成革入口和出口的邊界條件分別設(shè)定為壓力入口和壓力出口.箱式定型機(jī)的外壁面是由石棉制成的保溫層，風(fēng)排結(jié)構(gòu)為鍍鋅鋼板，合成革表面為聚氨酯，材料詳細(xì)參數(shù)列于表1.

表1 壁面邊界條件和材料參數(shù)Tab.1 Wall boundary conditions and parameters of materials

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)排內(nèi)部流場

風(fēng)排是箱式干燥機(jī)最關(guān)鍵的部分，其結(jié)構(gòu)合理性直接影響合成革的干燥定型效果.當(dāng)熱空氣在風(fēng)排結(jié)構(gòu)中有較好的分布時(shí)，合成皮革的干燥效率和干燥質(zhì)量都會得到明顯的改善.為了均布風(fēng)排內(nèi)部的流場，在風(fēng)排內(nèi)設(shè)置3塊擋板，將整個(gè)風(fēng)排沿著寬度方向分成4個(gè)通道，擋板的設(shè)置方式如圖2所示.圖3是模擬結(jié)果得到風(fēng)排中的整個(gè)壓力云圖.從云圖發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)排寬度方向呈現(xiàn)對稱分布，但在兩側(cè)熱風(fēng)入口附近存在明顯的低壓區(qū)域.為了確定低壓區(qū)的具體位置，在Y軸方向距離干燥機(jī)底部1 450 mm處截取一個(gè)平面，觀察該面上的壓力云圖分布，如圖4(a)所示，熱風(fēng)入口左右都出現(xiàn)低壓區(qū)域，且低壓區(qū)都位于安裝擋板的轉(zhuǎn)彎處.圖4(b)是截取的平面的溫度云圖，可見在低壓區(qū)的溫度明顯比其他位置低.

圖2 風(fēng)排內(nèi)部中擋板的安裝位置Fig.2 Position of the baffles in the wind exhaust structure

圖3 風(fēng)排整體壓力云圖Fig.3 Whole contours of pressure in the wind exhaust structure

圖4 距離底部1 450 mm處截面的壓力和溫度云圖Fig.4 Contours of pressure and temperature in the intercepted plane of 1 450 mm from the bottom wall

沿著干燥機(jī)寬度方向截取平面，該平面距離外壁700 mm.在此截面生成壓力云圖，如圖5所示.該截面的壓力云圖可以反映風(fēng)排內(nèi)部和烘箱內(nèi)部的壓力分布情況.圖中可以觀察到在風(fēng)排熱風(fēng)入口的右側(cè)出現(xiàn)低壓區(qū)，真空度為1.5 Pa，大于該處排風(fēng)口下方的真空度(0.9 Pa).在此截面繪制速度矢量圖，并選取低壓區(qū)域局部放大.由于風(fēng)排內(nèi)部的低壓區(qū)而形成的壓差導(dǎo)致排風(fēng)口附近的氣流往回流動(dòng)，圖6為熱風(fēng)入口右側(cè)第一個(gè)排氣口氣體回流現(xiàn)象.在第一個(gè)排風(fēng)口處，速度流線的方向是從烘箱流向風(fēng)排，說明風(fēng)排中的熱風(fēng)不僅沒有排出，且烘箱中的潮濕氣體倒吸進(jìn)入風(fēng)排.圖7是在風(fēng)排中生成的速度流線圖.高溫?zé)煔庖韵鄬^高的速度進(jìn)入風(fēng)排后，由于設(shè)置了擋板，在擋板的轉(zhuǎn)角處形成了漩渦.螺旋度是渦旋狀態(tài)與速度矢量的點(diǎn)乘，用于描述氣流的渦旋狀態(tài).若漩渦為順時(shí)針，則其值為負(fù)值，否則其值為正.圖8的螺旋度云圖可見，在熱風(fēng)入口右側(cè)且靠近外壁面處的漩渦是最大的.

圖5 距離外壁面700 mm處截面的壓力云圖Fig.5 Contours of pressure in the plane of 700 mm from the wall

圖6 熱風(fēng)入口右側(cè)第一個(gè)排氣口氣體回流現(xiàn)象Fig.6 Air flow backward phenomenon at the first exhaust port

圖7 風(fēng)排內(nèi)速度流線圖Fig.7 Streamline of velocity in the wind exhaust structure

圖8 距離干燥機(jī)底部1 450 mm處橫截面的螺旋度云圖Fig.8 Contours of helicity in the plane of 1 450 mm from the bottom wall

2.2 風(fēng)排底部的H2O和二甲基甲酰胺(DMF)摩爾濃度分布

圖9為干燥機(jī)風(fēng)排底部的溫度分布云圖.很明顯，在熱風(fēng)入口右側(cè)第一個(gè)排氣口的溫度明顯低于其他排氣口的溫度.為了更直觀地觀察排氣口底部的溫度變化趨勢，在每個(gè)排氣口的中心位置選取數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制曲線，數(shù)據(jù)取點(diǎn)位置如圖10.

圖9 干燥機(jī)風(fēng)排底部溫度分布云圖Fig.9 Contours of temperature at the bottom of wind exhaust structure

圖10 風(fēng)排底部排風(fēng)口數(shù)據(jù)取點(diǎn)位置Fig.10 Positions of data points at the bottom of wind exhaust structure

理想情況下，高溫氣體從兩側(cè)進(jìn)入風(fēng)排后，氣體沿著兩端擴(kuò)散，整體應(yīng)呈現(xiàn)中間溫度高，兩端溫度低的變化趨勢.圖11是風(fēng)排底部取得的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制的溫度變化趨勢圖.可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)排底部的溫度從340 K增加到最高值395 K(x=3 m)，然后降低到最低值329 K(x=4 m).熱風(fēng)入口位于3 m處溫度達(dá)到最高值；在x=4 m處溫度降到最低，該位置正是熱風(fēng)入口右側(cè)的第一個(gè)排風(fēng)口.圖11(a)顯示風(fēng)排底部水分的摩爾濃度變化趨勢與溫度變化趨勢相反.水分摩爾濃度在溫度最高點(diǎn)處的值最低；在溫度最低處，水分摩爾濃度最高，達(dá)到15.8 mol·m-3.其主要原因是風(fēng)排中的低壓區(qū)導(dǎo)致烘箱內(nèi)氣體產(chǎn)生倒吸，使得第一出風(fēng)口處的溫度顯著低于其他出風(fēng)口處的溫度.并且，漩渦的產(chǎn)生使得第一個(gè)出風(fēng)口處的壓力也較低于其他位置，因此水分傾向于在這里積聚.二甲基甲酰胺(DMF)在合成革生產(chǎn)的時(shí)候充當(dāng)溶劑，在末端干燥中，合成革表面還殘留較高濃度的DMF.殘留的DMF如果沒有及時(shí)干燥排走，生產(chǎn)的合成革表面DMF濃度超限會對人體造成傷害.類似地，圖11(b)顯示的是DMF濃度變化趨勢與溫度的關(guān)系，在x=4 m處DMF摩爾濃度達(dá)到峰值(0.6 mol·m-3).

圖11 風(fēng)排底部水分和DMF隨溫度的變化趨勢Fig.11 H2O and DMF change with temperature at the bottom of wind exhaust structure

上述模擬結(jié)果表明，風(fēng)排右側(cè)第一排氣口的溫度為329 K，低于水和DMF的汽化溫度373 K和436 K.水蒸氣和DMF開始液化，如圖12所示.液化的水和DMF混合液落在合成革上使其表面受到污染，合成皮革生產(chǎn)質(zhì)量嚴(yán)重下降.風(fēng)排的材料為鍍鋅板，在環(huán)境干燥或無污染的環(huán)境中其耐腐蝕性能十分優(yōu)越.然而當(dāng)鍍鋅板處于潮濕的環(huán)境中，特別是當(dāng)空氣中含有二氧化碳、二氧化硫等酸性物質(zhì)時(shí)，鍍鋅板的反腐性能將大幅度下降.當(dāng)水分在鍍鋅板表面凝結(jié)，在缺少空氣流動(dòng)時(shí)會因?yàn)檠鯘舛鹊牟煌鴮?dǎo)致鍍鋅板表面產(chǎn)生電位差，從而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，反應(yīng)如式(3)～(6).此外，DMF在高溫且有水的條件下是不穩(wěn)定的，易發(fā)生水解，生成甲酸(HCOOH)與二甲基胺((CH3)2NH).甲酸屬于強(qiáng)酸，會直接與鋅及其氧化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)鍍鋅層遭到破壞后，將進(jìn)一步腐蝕鋼板，反應(yīng)如式(7)～(9).腐蝕縮短了排氣結(jié)構(gòu)的更換周期，從而增加了生產(chǎn)成本.風(fēng)排的腐蝕現(xiàn)象如圖13所示，液化位置主要出現(xiàn)在第一個(gè)排風(fēng)口附近(見圖14).

圖12 風(fēng)排底部的蒸氣冷凝Fig.12 Condensation at the bottom of wind exhaust structure

圖13 排底部的表面腐蝕現(xiàn)象；Fig.13 Corrosion at the bottom of wind exhaust structure

圖14 風(fēng)排內(nèi)部蒸氣液化和腐蝕的位置Fig.14 Position of condensation and corrosion in the wind exhaust structure

陽極反應(yīng)：

Zn = Zn2++ 2e-

(3)

陰極反應(yīng)：

O2+ 2H2O + 4e-= 4OH-

(4)

總反應(yīng)：

Zn2++ 2OH-= Zn(OH)2/Zn2++ 2OH-= ZnO·H2O

(5)

DMF水解反應(yīng)：

HCON(CH3)2+ H2O = (CH3)2NH + HCOOH (>70 ℃)

(6)

甲酸與鋅及其氧化物反應(yīng)方程式:

Zn + 2HCOOH = Zn(COOH)2+ H2

(7)

ZnO + 2HCOOH = Zn(COOH)2+ H2O

(8)

Zn(OH)2+ 2HCOOH = Zn(COOH)2+ 2H2O

(9)

2.3 改進(jìn)措施

從以上分析可知，在風(fēng)排內(nèi)部添加3塊擋板后，風(fēng)排的流場分布得到了明顯的改善.但是，在擋板轉(zhuǎn)角處形成的漩渦，使該位置的壓力急劇降低.且在熱風(fēng)入口右邊第一個(gè)排風(fēng)口處溫度較低，出現(xiàn)蒸氣冷凝和風(fēng)排腐蝕.為優(yōu)化風(fēng)排內(nèi)擋板轉(zhuǎn)角處流場分布并消除漩渦，在擋板之間安裝擾流板.根據(jù)之前模擬所得結(jié)果，擾流板垂直放置在渦流的中間.具體安裝方式如圖15所示.圖16顯示在添加擾流板之后擋板轉(zhuǎn)彎處的漩渦破裂.流線基本沿風(fēng)排長度分布，流場分布更均勻.

圖15 擾流板的安裝方法和位置Fig.15 Installation method and location of spoilers

添加擾流板后距離干燥機(jī)底部1 450 mm處橫截面的壓力云圖如圖17所示.將圖17與圖4(a)相比較可以看出，在添加擾流板之后，風(fēng)排內(nèi)的壓力分布發(fā)生顯著改善.隔板轉(zhuǎn)彎處的低壓區(qū)域被分散，只存在局部小區(qū)域的低壓區(qū)，且風(fēng)排底部溫度分布也更為理想(見圖18).實(shí)現(xiàn)風(fēng)排兩端的溫度較低，中間較高.熱風(fēng)入口右側(cè)的第一個(gè)排風(fēng)口不再是低溫出口.在風(fēng)排底部選擇相同數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制曲線，如圖19所示.由圖19可以看出，溫度整體上升，同一點(diǎn)的最高和最低溫度分別為464 K和395 K.在4 m處，水分濃度顯著降低，僅為1.4 mol·m-3.DMF濃度最高值也降低至0.4 mol·m-3.

圖18 添加擾流板后風(fēng)排底部的溫度云圖Fig.18 Contours of temperature at the bottom of the the wind exhaust structure after adding spoilers

圖19 添加擾流板后風(fēng)排底部水分和DMF濃度隨溫度變化趨勢Fig.19 H2O and DMF change with temperature at the bottom of wind exhaust structure after adding spoilers

圖20 飽和蒸氣壓曲線和風(fēng)排底部溫度與壓力數(shù)據(jù)點(diǎn)分布Fig.20 Saturated vapor pressure curve and data point distribution of temperature and pressure in the wind exhaust structure

水的飽和蒸氣壓是溫度的函數(shù)，在壓力變化范圍小的情況下，溫度變化是水蒸氣飽和的主要原因.合成革箱式干燥機(jī)中的壓力略小于大氣壓力.將出風(fēng)口底部的溫度和壓力數(shù)據(jù)點(diǎn)與水的飽和蒸氣壓曲線繪制在同一圖中，如圖20所示.在添加擾流板之前，大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在水的飽和蒸氣壓力曲線的左側(cè)，表明這些點(diǎn)已達(dá)到液化條件.而在添加擾流板之后，數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布在飽和蒸氣壓力曲線的右側(cè).這些點(diǎn)的溫度高于該壓力值下水的沸點(diǎn)，所以沒有發(fā)生水蒸氣液化.

3 結(jié)論

本研究模擬了合成革箱式干燥機(jī)中的流場分布.模擬結(jié)果表明，在風(fēng)排內(nèi)部隔板的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致該區(qū)域形成低壓.低壓區(qū)的真空度為1.5 Pa，低于風(fēng)排底部排風(fēng)口的真空度為0.9 Pa.風(fēng)排內(nèi)部低壓和排風(fēng)口處形成的壓差使得烘箱內(nèi)的氣體被吸回到風(fēng)排中，不利于高溫氣體噴出.同時(shí)，低壓區(qū)下方的排風(fēng)口的溫度明顯低于其他排風(fēng)口的溫度，干燥過程中產(chǎn)生的水蒸氣和DMF氣體在此液化積聚.此外，排風(fēng)材料是鍍鋅鋼板，DMF在水溶液中水解產(chǎn)生甲酸，是風(fēng)排發(fā)生電化學(xué)腐蝕.在風(fēng)排內(nèi)隔板中間添加擾流板后，流場分布變得更均勻.排風(fēng)口的排出溫度顯著升高，在風(fēng)排底部第一個(gè)排風(fēng)口不再發(fā)生蒸氣液化.