文丘里引射反應(yīng)器的噴嘴優(yōu)化及壓降分析

王曉靜，唐 磊，江 增

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

文丘里引射反應(yīng)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［1］。由于本身沒有運動部件，因而其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，工作可靠，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(xué)工業(yè)、石油開發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性和不可替代性，特別適合于水下和存在放射、易燃、易爆等可能性的危險場合。

黃磷是眾多含磷化合物的基本原料。通常，黃磷脫砷工藝?yán)脵C械攪拌器使黃磷與氧化性介質(zhì)混合反應(yīng)，進而達到凈化效果［2-3］。然而，使用機械攪拌存在很多不足之處，主要是黃磷易于結(jié)塊而導(dǎo)致脫砷反應(yīng)不充分，同時需要耗費大量的人力、物力，伴隨著對攪拌器的檢修和維護工作。為了解決這個問題，研究以文丘里兩相射流混合技術(shù)，用雙氧水連續(xù)氧化脫除工業(yè)黃磷 (砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在400×10-6以上)中的砷從而制取低砷磷 (砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10×10-6)的一種全新工藝為背景，著重研究文丘里反應(yīng)器的混合分散機理以及其流體力學(xué)行為，進一步研究其對黃磷脫砷反應(yīng)過程的影響，以求得到適合這一反應(yīng)過程的文丘里雙相射流反應(yīng)器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝設(shè)計與計算方法。目前已完成了小試可視化實驗裝置和中試裝置的制備，并進行了黃磷脫砷的研究和計算流體力學(xué)模擬計算，為該工藝的工業(yè)化放大提供了有利的參考依據(jù)。

目前，針對文丘里的尺寸優(yōu)化［4-6］、流場模擬［7-10，15-16］和實驗研究［11-13］等成果較多，但通常是從理論分析上進行相關(guān)研究，而將其用于具體的化工過程---黃磷脫砷過程的研究并不多見，鑒于黃磷脫砷工藝在整個黃磷生產(chǎn)中扮演著重要的角色，因此有必要對黃磷脫砷工藝中的文丘里引射反應(yīng)器的噴嘴出口直徑及相對應(yīng)的壓降變化進行研究和分析，以獲得可供參考的數(shù)據(jù)和結(jié)論，指導(dǎo)實際應(yīng)用。

在文丘里引射反應(yīng)器的研究中，主要有理論計算、試驗研究和數(shù)值模擬3種方法。由于黃磷的燃點較低 (約40℃)，因此為了防止其自燃必須保證黃磷不接觸空氣。傳統(tǒng)以實驗為基礎(chǔ)的研究方法需要有相應(yīng)的安全保護措施和大量的人力物力，研究周期較長。而數(shù)值模擬以其高效、低成本、能適應(yīng)多種可變因素等優(yōu)勢，在工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究應(yīng)用FLUENT 6.3軟件，分別計算了不同噴嘴直徑下反應(yīng)器的性能及對應(yīng)的壓降變化情況，以效率最高為原則，在指定流量比要求下，找出一種最適合黃磷脫砷工藝的尺寸參數(shù)。

1 計算模型

1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

文丘里引射反應(yīng)器主要由吸入管、吸入室、噴嘴、喉管(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。它的工作原理是:一定壓力的流體(雙氧水)通過噴嘴后以一定速度射出，在射流紊動擴散作用及卷吸作用下，吸入低壓流體(液態(tài)黃磷)，兩股不同壓力的流體在喉管(混合室)內(nèi)產(chǎn)生動量、質(zhì)量和能量交換，工作流體速度及壓力減小，被吸入流體速度增加，在喉管出口處兩股流體的流速漸趨于均勻，混合流體經(jīng)擴散管將部分動能轉(zhuǎn)化為壓能，增壓后通過引流管輸出。

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

在文丘里引射反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，面積比受噴嘴出口直徑變化的直接影響，過小的噴嘴出口直徑能夠產(chǎn)生極大的射流速度和梯度，可以獲得較高的分散效果，但與此同時也會增加內(nèi)部流場的局部阻力損失，進而改變反應(yīng)器的性能。因此，針對反應(yīng)器指定的流量比要求，應(yīng)綜合考慮反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性、高效性等因素來決定噴嘴的直徑大小。

文丘里引射反應(yīng)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［1］確定如表1所示。分別計算了經(jīng)驗公式內(nèi)的6、8、10和12 mm等4個噴嘴出口直徑下(其對應(yīng)的喉管與噴嘴出口截面積之比分別為 9.00、5.06、3.24和 2.25)文丘里引射反應(yīng)器的內(nèi)部流場及性能，并進行了對比分析，在不考慮發(fā)生汽蝕的條件下，通過改變不同的噴嘴出口直徑和操作條件，確定對應(yīng)的最適宜工作參數(shù)，為實際黃磷脫砷工藝的節(jié)能和高效提出可參考的數(shù)據(jù)范圍。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Table 1 Geom etric param eters of VER

1.2 網(wǎng)格劃分和湍流模型

由于文丘里引射反應(yīng)器的內(nèi)部流場屬于不規(guī)則區(qū)域的有限空間射流，因此在整個計算域內(nèi)，網(wǎng)格的劃分不宜采用單一的網(wǎng)格，而應(yīng)根據(jù)速度梯度的大小來適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格的疏密，以保證流場各部分的節(jié)點距離相對穩(wěn)定，確保計算結(jié)果的可靠性。針對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來說，在噴嘴出口至喉管這一范圍內(nèi)，兩種流體存在較大的梯度差異，二者在接觸混合的同時伴隨著劇烈的湍動和傳遞現(xiàn)象，必須考慮其紊流剪切作用和壓力脈動作用，因此在這一區(qū)域需要適當(dāng)加大網(wǎng)格密度。同時，在近壁區(qū)域，由于邊界層的存在也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分形式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 G rid d ivision m odel of Venturi ejector reactor

求解器設(shè)置選擇分離式隱式求解器，Realizable k-ε雙方程紊流模型，壓力方程采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式，多相流采用歐拉兩相流模型(流體的相關(guān)物性數(shù)據(jù)見表2)，而壓力-速度耦合方程采用 Phase Coupled Simp le格式，其余方程采用一階迎風(fēng)離散格式［14］。在邊界條件的設(shè)定中，工作流體和引射流體進口均設(shè)為壓力進口條件，混合液出口設(shè)為壓力出口條件。引射流體的進口壓力考慮液態(tài)黃磷重力造成的靜壓，設(shè)置為8 kPa，出口壓力根據(jù)工程應(yīng)用需要，保證混合液壓能可以克服沿程阻力到達指定儲罐，設(shè)置為18 kPa。壁面邊界采用計算效率高、實用性強的壁面函數(shù)法。在此基礎(chǔ)上對文丘里引射反應(yīng)器全流場進行了數(shù)值模擬。

表2 工作介質(zhì)物性數(shù)據(jù)Table 2 Properties of work ing m edium

計算過程中監(jiān)視計算域的速度、壓力、湍流動能等變量，當(dāng)監(jiān)視參數(shù)區(qū)域穩(wěn)定同時殘差達到預(yù)定值10-5，并且引射流體的質(zhì)量流量基本保持不變，總的質(zhì)量不平衡率小于總的質(zhì)量流量的0.5%時，認為計算收斂。計算中沒有考慮溫度的影響。

2 性能參數(shù)

由于文丘里引射反應(yīng)器的設(shè)計原理及工作過程與射流泵相似，故可以使用射流泵的相關(guān)性能參數(shù)作為衡量和評價該反應(yīng)器的部分性能指標(biāo)。

射流泵的流量、壓力及主要幾何參數(shù)用以下無因次函數(shù)表示為

式(1)～(4)中，Qs為吸入口流量(液態(tài)黃磷);Q0為工作流量(雙氧水);p0為工作壓力;ps為吸入口壓力;pc為出口壓力;ρ0為工作流體密度;ρs為引射流體密度;ρc為工作流體密度;v0為工作速度;vs為吸入口速度;vc為出口速度;z為位置高程;Ath為喉管截面積;A為噴嘴收縮處截面積。

3 噴嘴直徑對性能指標(biāo)的影響

3.1 噴嘴直徑對q-h曲線和q-η曲線的影響

在中試實驗裝置中，調(diào)節(jié)雙氧水的入口壓力分別為0.2、0.3和0.4 MPa，實驗中測得雙氧水工作流量分別為1.13、1.41和1.65 m3/h，而在相同的操作條件下，數(shù)值模擬所得到的雙氧水工作流量分別為1.19、1.35和1.79 m3/h，對應(yīng)的相對誤差分別為5.3%、4.3%和7.8%，相對誤差滿足要求，說明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

根據(jù)工程需要，在引射壓力為8 kPa，出口背壓為18 kPa的條件下，改變工作壓力，分別對噴嘴直徑為 6、8、10和 12 mm(對應(yīng)的面積比為 9.00、5.06、3.24和2.25，下同)進行數(shù)值計算，繪制出文丘里引射反應(yīng)器的工作特性曲線如圖3和圖4。

圖3 噴嘴直徑對q-h曲線的影響Fig.3 The im pact of different nozzle on the curve of q-h

圖4 噴嘴直徑對q-η曲線的影響Fig.4 The im pact of different nozzle on the curve of q-η

由圖3和圖4可以看出，隨著噴嘴直徑的減小，對應(yīng)面積比的增大，q-h曲線和 q-η曲線均向下偏移;而在相同流量比的條件下，小直徑的噴嘴由于局部阻力較大，導(dǎo)致壓力損失過多而不能獲得較高的效率和較大的壓力比，說明在其他尺寸參數(shù)相同的情況下，使用大直徑的噴嘴有助于提升反應(yīng)器的工作效率和壓力比，但是，由于噴嘴直徑的增大，導(dǎo)致了噴嘴出口速度的降低，由此可能造成高速射流效果不佳，進而無法獲得充分分散的混合反應(yīng)結(jié)果。

另一方面，從圖3和圖4中可以看出，高的壓力比能夠獲得同樣高的效率，這也驗證了Ning和Satofuka［15］的研究理論成果。在圖3中，每一個面積比都有一條對應(yīng)的效率曲線，且都有一個最適宜值，但是，不同面積比的最佳效率值是不同的。設(shè)定從最高效率下降5%為標(biāo)準(zhǔn)(相對值)來確定每一面積比下較為適宜的流量比范圍，同時列出最高效率點處對應(yīng)的最適宜流量比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同面積比下的最適宜流量比Table 3 The best flow rate ratio w ith different area ratio

針對不同的流量比需求，可按工程需要，確定工作流體和引射流體的混合反應(yīng)比，進而根據(jù)表3的最適宜流量比范圍選擇最適宜的面積比，在不考慮高速噴射造成的分散混合效應(yīng)前提下，可以保證文丘里引射反應(yīng)器在高效率區(qū)進行工作。

3.2 噴嘴直徑對壓降的影響

圖5是不同面積比下工作流體通過文丘里引射反應(yīng)器噴嘴的壓力降，其中工作流體的入口壓力設(shè)置為0.1 MPa。

圖5 噴嘴直徑對壓力降的影響Fig.5 The im pact of d ifferent nozzle on p ressu re d rop

由圖5可以看出，面積比越大(即噴嘴直徑越小)，則壓力降越大，而壓力降可以用來評價混合效果的好壞，因此，壓力降越大，高速射流造成的卷吸作用和紊動擴散作用越強烈，進入喉管的引射流體的動量越大，速度梯度和壓力梯度越大，因此工作流體對引射流體的分散效果越好，混合效果也越好。因此，對于接觸反應(yīng)的分散效果要求嚴(yán)格的工程問題，應(yīng)該在綜合評價驅(qū)動力、能量供給等能耗問題的條件下，盡可能選擇高面積比的反應(yīng)器，以獲得滿意的分散反應(yīng)效果。

3.3 噴嘴直徑對軸向速度和壓力的影響

圖6和圖7是不同面積比下工作流體通過文丘里引射反應(yīng)器后軸向速度和壓力的變化趨勢圖，其中工作流體的入口壓力設(shè)置為0.1 MPa，截面位置Z=0表示噴嘴出口截面?？梢钥闯?，在喉管和擴散管的部分，4個面積比對應(yīng)的曲線差別最大，速度差異和壓力差異最為明顯;在喉管段，速度衰減較為突出，說明在文丘里引射反應(yīng)器的喉管內(nèi)，工作流體和引射流體發(fā)生劇烈的傳質(zhì)傳能現(xiàn)象，二者進行混合反應(yīng);在擴散管段，隨著軸向距離的增加，工作流體速度降低，引射流體速度增加，在喉管內(nèi)二者進一步混合，流速逐漸趨于均勻，混合液的動能被轉(zhuǎn)化為壓能傳輸出去。

圖6 噴嘴直徑對軸向速度的影響Fig.6 The im pact of different nozzle on axial velocity

圖7 噴嘴直徑對軸向壓力的影響Fig.7 The im pact of d ifferent nozzle on axial p ressure

另一方面，在相同工作流體入口壓能的驅(qū)動下，不同的面積比對應(yīng)的反應(yīng)器喉管及擴散管內(nèi)部的速度和壓力梯度變化也不盡相同。圖6顯示面積比大的條件下對應(yīng)的速度梯度最大，并且速度衰減也最為強烈。原因是小直徑噴嘴的局部能量損失太大，導(dǎo)致工作流體的壓能在高速射流后，將能量傳遞給引射流體的同時迅速衰減。由于文丘里引射反應(yīng)器內(nèi)的高速射流卷吸效應(yīng)屬于有限空間內(nèi)的射流，與自由剪切湍流不同，因此反應(yīng)器內(nèi)部流場受到噴嘴直徑的影響較為顯著。

3.4 中試實驗與模擬結(jié)果的比較

選取噴嘴出口直徑為10 mm的文丘里引射反應(yīng)器為例，根據(jù)貴州某廠在中試實驗中得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，將實際中雙氧水的工作流量與相同操作條件下模擬得到的雙氧水流量進行對比，得到的結(jié)果如表4所示。

表4 實驗和模擬的雙氧水流量對比Table 4 The contrast of Q0 between test and sim u lation

對比實驗和模擬數(shù)據(jù)可以得出，在相同的參數(shù)設(shè)置條件下，得到的雙氧水流量大小基本吻合，相對誤差基本保持在5%以下，說明模擬的結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)論

應(yīng)用FLUENT軟件，采用 Phase Coupled Simple算法和Realizable k-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(yīng)器工作性能和內(nèi)部流場變化情況。主要結(jié)論如下。

1)噴嘴直徑直接影響到文丘里引射反應(yīng)器的工作性能和內(nèi)部流場。在特定的結(jié)構(gòu)尺寸條件下，噴嘴直徑越大(即面積比越小)，反應(yīng)器所形成的壓力比越大，驅(qū)動能力越強，同時工作效率也越高。

2)在相同的工作壓力條件下，噴嘴直徑越小，產(chǎn)生的壓力降越大，局部能量損失也越大。另一方面，對應(yīng)的接觸混合分散效果也越好。對于分散效果要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合，應(yīng)該綜合考慮反應(yīng)器的設(shè)計和選型，盡量保證反應(yīng)器在獲得滿意分散效果的前提下，在高效工作區(qū)工作。

3)在相同的驅(qū)動工作壓力條件下，沿軸線方向的速度分布和壓力分布不盡相同。噴嘴直徑越小，對應(yīng)的速度和壓力梯度越大，當(dāng)工作流體從噴嘴高速射流出后，速度和壓力迅速衰減，在這過程中工作流體和引射流體進行強烈的傳質(zhì)傳能接觸反應(yīng)。

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