三聚氰胺結(jié)晶器流場模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

寇小鑫

四川能投建工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610000

陳光輝

青島科技大學(xué) 青島 266000

三聚氰胺是一種用途廣泛的基本有機(jī)化工中間產(chǎn)品，不僅用于生產(chǎn)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(chǎn)[1-3]及造紙、紡織、皮革、電氣、醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用也十分廣泛[4-5]。根據(jù)原料路線不同，三聚氰胺的生產(chǎn)方法有雙氰胺法和尿素法。雙氰胺法工藝由于各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)遠(yuǎn)低于尿素法工藝而逐步被淘汰；尿素法成為今后的發(fā)展方向[6-8]，尿素法按熔融尿素?zé)峤鈮毫Φ牟煌?，可分為高壓法[9]、低壓法[10-11]和常壓法[12]。

21世紀(jì)，我國開發(fā)了低壓氣相淬冷法生產(chǎn)工藝，該工藝具有投資少、流程短、生產(chǎn)成本低、環(huán)保壓力小等優(yōu)點(diǎn)[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(jié)晶器中進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，凝華生成三胺產(chǎn)品。結(jié)晶控制是其中重要環(huán)節(jié)之一，將直接影響三胺產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。但三聚氰胺裝置運(yùn)行一定周期后，結(jié)晶器器壁上會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢，將影響設(shè)備的正常運(yùn)行，并在運(yùn)行一段時(shí)間后塌落至結(jié)晶器底部，即結(jié)晶器塌料(垮料)。該現(xiàn)象可阻塞結(jié)晶器氣相出口，造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)、載氣壓縮機(jī)振值波動(dòng)、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的波動(dòng)，甚至造成氣相管線堵塞、系統(tǒng)停車。結(jié)晶器塌料，是三聚氰胺生產(chǎn)中嚴(yán)重危害裝置穩(wěn)定運(yùn)行的原因之一，因此，對其現(xiàn)象和發(fā)生的根源進(jìn)行研究，并提出有效對策，是實(shí)現(xiàn)工藝穩(wěn)定控制和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[14-16]。

本文將利用數(shù)值計(jì)算方法分析現(xiàn)有結(jié)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(shù)值模擬結(jié)果提出了結(jié)晶器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并研究優(yōu)化后結(jié)晶器內(nèi)濃度場、溫度場等的變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)定

1.1 數(shù)學(xué)模型

常用的湍流模型有三類：直接數(shù)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(shí)的Navier-Stokes方程對湍流進(jìn)行計(jì)算，但其需要更精細(xì)的網(wǎng)格、更大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間和更強(qiáng)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(jì)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(shù)值計(jì)算，但對計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間和CPU速度的要求仍比較高。與DNS和LES不同，時(shí)均Reynolds方程具有計(jì)算量小、計(jì)算精度高等特點(diǎn)，因此，在進(jìn)行湍流問題處理時(shí)，雷諾平均法的使用更加廣泛。

本文選擇可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程計(jì)算Reynolds時(shí)均方程中的湍流脈動(dòng)應(yīng)力模型用于研究結(jié)晶器內(nèi)部流場。標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程引入的湍動(dòng)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(dòng)能k和湍流耗散率ε的函數(shù)：

(3)

湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε可由方程(4)、(5)計(jì)算：

(4)

(5)

式中，Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，可由式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中，C1ε，C2ε，Cμ，σk，σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，由基本的湍流流動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算中的三聚氰胺結(jié)晶器幾何模型依據(jù)現(xiàn)有結(jié)晶器進(jìn)行構(gòu)建，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其幾何尺寸見圖2。

圖1 現(xiàn)有結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 現(xiàn)有結(jié)晶器原型尺寸

依據(jù)結(jié)晶器實(shí)際尺寸，采用Gambit軟件構(gòu)建模型并生成網(wǎng)格，建立的網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算成功率，及時(shí)排查Skewness偏斜率較大的網(wǎng)格并予以修正，最終生成網(wǎng)格數(shù)量為200萬。

1.3 邊界條件

在本文模擬中，結(jié)晶器熱氣、冷氣進(jìn)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)分別為68.4%、31.6%。氨氣、二氧化碳均設(shè)置為理想氣體。

結(jié)晶器出口設(shè)置為壓力出口，出口處為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，即各個(gè)變量的法向梯度為零。

結(jié)晶器內(nèi)壁設(shè)置為無滑移邊界，默認(rèn)壁面粗糙度為0.5。由于在靠近固體壁面的區(qū)域內(nèi)，湍流底層的粘性作用增強(qiáng)而湍流擴(kuò)散相對減弱，致使作用于高雷諾數(shù)下的湍流輸運(yùn)方程已不能嚴(yán)格有效，所以，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界湍流。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)有結(jié)晶器流場分析

2.1.1 氣體溫度分布

結(jié)晶器縱向剖面上的氣體溫度分布圖見圖4。

圖4 現(xiàn)有結(jié)晶器中氣體溫度分布圖

從圖4可知，高溫區(qū)域?yàn)榻Y(jié)晶器中心線附近區(qū)域及底部區(qū)域，設(shè)備底部區(qū)域氣體溫度為460～480K。在結(jié)晶器中心線上，溫度自上而下呈現(xiàn)遞減趨勢，由噴嘴進(jìn)入的冷氣主要分布于結(jié)晶器中上部的邊壁處，冷熱氣體的熱交換主要發(fā)生在結(jié)晶器中軸線附近。

2.1.2 三聚氰胺濃度分布

結(jié)晶器縱向剖面上的三聚氰胺濃度分布圖見圖5。

圖5 現(xiàn)有結(jié)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(guī)律與結(jié)晶器內(nèi)氣溫度分布規(guī)律基本一致，三聚氰胺組分主要集中在結(jié)晶器中心線附近區(qū)域及底部區(qū)域，且處在中心線附近的三聚氰胺濃度分布呈現(xiàn)出自上而下遞減的趨勢。在結(jié)晶器中上部，距離中心線越遠(yuǎn)，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(jié)晶器中上部相比，處在結(jié)晶器底部區(qū)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(luò)面立體圖見圖6。

圖6 現(xiàn)有結(jié)晶器中不同濃度三聚氰胺包絡(luò)面立體圖

從圖中可以看出，在整個(gè)結(jié)晶器中，三聚氰胺濃度分布呈現(xiàn)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(qū)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(jié)晶器內(nèi)部流場跡線圖見圖7。

圖7 現(xiàn)有結(jié)晶器中流場跡線圖

由圖7可以看出，由結(jié)晶器頂部噴入的熱氣垂直向下運(yùn)動(dòng)，主要集中在結(jié)晶器的中部。兩側(cè)進(jìn)口噴入的冷氣沿結(jié)晶器的邊壁處向上運(yùn)動(dòng)，受器壁和中心處熱氣流動(dòng)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(dòng)軌跡表明，在現(xiàn)有的結(jié)晶器中，兩種氣體僅在中軸線附近發(fā)生接觸及傳質(zhì)傳熱，熱氣自結(jié)晶器頂部進(jìn)入后，靠近中心處的氣體難以與噴嘴處的冷氣接觸。由于進(jìn)入的熱氣速度較快，中心區(qū)域氣體停留時(shí)間較短，導(dǎo)致了熱氣中三聚氰胺組分凝華不徹底，影響結(jié)晶效果。

2.2 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上述結(jié)晶器中三聚氰胺濃度場、氣體溫度場、流場跡線分布規(guī)律可知，熱氣自頂部進(jìn)入結(jié)晶器后，沿著中心線自上而下運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)濃度、溫度分布均呈現(xiàn)出自中心向四周遞減的趨勢，這就導(dǎo)致三聚氰胺整體停留時(shí)間較短、冷熱氣體接觸不充分，結(jié)晶器的傳質(zhì)傳熱效率較低。

針對以上問題，提出結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，見圖8。

圖8 優(yōu)化后結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

冷氣由上下兩層、共24個(gè)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(yōu)化后結(jié)晶器流場分析

2.3.1 氣體溫度分布

優(yōu)化后結(jié)晶器中氣體溫度分布圖見圖9。

圖9 優(yōu)化后結(jié)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?zé)釟猱a(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，最終使高溫區(qū)域主要集中在結(jié)晶器上部區(qū)域，溫度集中在500～560K之間；中下部區(qū)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(yōu)化后結(jié)晶器中三聚氰胺濃度分布圖見圖10。

圖10 優(yōu)化后結(jié)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?yàn)閺?5°的噴嘴中噴射出的冷氣對熱氣的向下運(yùn)動(dòng)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(shí)間增加，結(jié)晶器上部區(qū)域的三聚氰胺濃度值遠(yuǎn)大于下部區(qū)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(jié)晶器塌料現(xiàn)象的發(fā)生頻率。

2.3.3 流場跡線

優(yōu)化后結(jié)晶器中流場跡線圖見圖11。

圖11 優(yōu)化后結(jié)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(huì)增強(qiáng)噴射氣流的動(dòng)能。攜帶較大動(dòng)能的冷氣與來自頂部的熱氣體接觸后，發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞，阻礙其運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)結(jié)晶器中無明顯垂直向下的氣流運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)閬碜岳錃饬鞯膹?qiáng)大阻力改變了熱氣流原有的垂直運(yùn)動(dòng)路徑，增大了熱氣流的停留時(shí)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(qiáng)化傳質(zhì)傳熱。

3 實(shí)施效果

優(yōu)化改造前，因結(jié)晶器超溫、塌料、出口管線堵塞導(dǎo)致裝置頻繁停車，三聚氰胺裝置的運(yùn)行周期僅為60天左右，雖經(jīng)一系列的工藝與設(shè)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(yōu)化方案設(shè)計(jì)的結(jié)晶器后，裝置已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行150天以上，未出現(xiàn)因結(jié)晶器導(dǎo)致的裝置停車現(xiàn)象，改造效果良好。

4 結(jié)語

本文利用數(shù)值計(jì)算方法研究了三聚氰胺結(jié)晶器內(nèi)氣體溫度分布、三聚氰胺濃度分布、流場跡線等，結(jié)論如下：

(1)在三聚氰胺結(jié)晶器內(nèi)，三聚氰胺濃度與溫度分布均呈現(xiàn)出由中心向四周遞減的趨勢。底部區(qū)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(jié)晶器的優(yōu)化改進(jìn)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(yōu)化后結(jié)晶器中冷氣氣流對熱氣氣流的垂直向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)的阻礙作用，增加了三聚氰胺在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間，強(qiáng)化了不同氣流之間的傳質(zhì)傳熱，同時(shí)，可有效降低三聚氰胺的壁面沉積，提高結(jié)晶器的運(yùn)行效率。