研究數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

李丹張騫澤

（1.中國石油遼陽石化分公司芳烴廠， 遼寧 遼陽 111000；2.中國石油遼陽石化分公司熱電廠，遼寧 遼陽 111000）

研究數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

李丹1張騫澤2

（1.中國石油遼陽石化分公司芳烴廠， 遼寧 遼陽 111000；2.中國石油遼陽石化分公司熱電廠，遼寧 遼陽 111000）

反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)在工作中有著非常重要的作用，本文首先要介紹了數(shù)據(jù)模擬的建立，然后深入探討了其計算結(jié)構(gòu)與分析，通過這些內(nèi)容更好的得出數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用效果。希望這些內(nèi)容能夠為工作人員設(shè)計反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)提供一定幫助。

數(shù)值模擬；反應(yīng)塔；冷卻系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

閃速爐是一種冶煉設(shè)備，能夠高效處理一些粉狀硫化礦物。這種設(shè)備主要由精礦噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池以及上升煙道四個部分組成。反應(yīng)塔主要位于沉淀池的上方，其中進行熔煉反應(yīng)。反應(yīng)塔的長期環(huán)境都是高溫，受到煙氣與熔體的雙重沖涮，會受到比較嚴重的腐蝕。工作人員為了減少反應(yīng)塔受到的損害，使用冷卻系統(tǒng)對反應(yīng)塔進行降溫?，F(xiàn)對反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的數(shù)值模擬情況進行分析，并總結(jié)如下。

1 數(shù)值模擬的建立

反應(yīng)塔中的反應(yīng)過程非常復(fù)雜，尤其是高溫?zé)煔馀c爐外空氣之間的熱傳遞，其中發(fā)生的反應(yīng)是高溫?zé)煔馀c爐體內(nèi)壁的對流，內(nèi)部溫度的平衡，以及輻射換熱等。反應(yīng)塔中這種反應(yīng)，需要熱量的相互傳遞，還會受到內(nèi)部材料熱量的影響。冷卻系統(tǒng)的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻水與冷卻元件之間的熱量置換［1］。這個過程具有結(jié)構(gòu)和傳熱機理方面的對稱性，從實際上分析冷卻單元之間，并沒有熱量的轉(zhuǎn)換。

工作人員要通過爐體冷卻單元進行建模，其三維模型要采用fluent軟件進行計算。在本次研究中，主要應(yīng)用的模型是熱傳導(dǎo)模型，選取控制容積法進行運算。該模型的研究對象是反應(yīng)塔爐體，要深入分析其對稱性，然后選取一半冷卻單元作為研究對象，分析需要求解的集合模型，對幾何模型網(wǎng)格劃分進行分析。

2 計算結(jié)果與分析

工作人員要在實際生產(chǎn)中，選取常用的工藝參數(shù)冷卻水量2.5t/h（對應(yīng)進水速度為1.5m/s），進水溫度為25℃?；诖?，要進行分析和計算，建立冷卻單元三維數(shù)值模型，分析求得Z=0面的溫度場分布。

從計算結(jié)果進行分析，冷卻單元的冷卻效果良好，工作人員不僅能對冷卻元件進行局部設(shè)置，還能夠控制冷卻元件周圍的耐火材料區(qū)域溫度。針對冷卻元件和煙氣接觸面的溫度，冷卻元件具有較好的降溫效果，能夠促進內(nèi)壁掛渣的形成。這是冷卻元件常使用的功能之一。在實踐中，低溫區(qū)域能夠延長耐火材料的壽命，并促進反應(yīng)塔掛渣的形成，確保反應(yīng)塔得到更好的保護。

工作人員在數(shù)值的模擬計算中，還能得出冷卻水的出水溫度為31.4℃，溫升為6.4℃。根據(jù)這個冷卻水熱量，其釋放了8876W，冷卻單位損失的熱量為8900，冷卻水帶出熱量占總的熱損失量的99.73%。根據(jù)此，冷卻單元的熱量主要是被冷卻水帶走，很少會通過外壁散熱，所以在冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，冷卻水帶出熱量的計算非常重要。在這個過程中，要促使鋼板維持在較高的溫度，不會影響反應(yīng)塔的使用性能［2］。

冷卻水帶出的熱量，會因為冷卻水的進水速度的增大而增大。但是這種增加的情況比較微小，很難分辨。尤其在冷卻水進水速度將至0.525m/s以下，冷卻水帶出熱量一直恒定。

由此可以得知，冷卻強度會隨著冷卻水量的變化保持不變，從Q=cmΔt可知，冷卻水的出水與進水溫差與冷卻水的進水量成反比。上圖的曲線，符合這種比例關(guān)系。工作人員在冷卻水的進水速度減少的情況下，要把握冷卻水進水溫差和出水溫差，避免水溫過高。所以在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，不能將冷卻水量設(shè)計的太?。?］。冷卻水帶出熱量與冷卻水進水溫度的關(guān)系，工作人員能夠推測出，冷卻水進水溫度的增加，會降低冷卻水帶出熱量減小。如果減小的幅度比較小，或是溫度沒有變化，那么冷卻單元的冷卻強度會隨著冷卻水溫度的變化保持不變。

3 結(jié)語

數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，要進行建模計算，更加準(zhǔn)確研究冷卻系統(tǒng)，主要的結(jié)果是冷卻單元的效果較好，能夠促進反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的形成。冷卻水會帶走冷卻系統(tǒng)的散熱損失，關(guān)鍵是設(shè)計與計算冷卻單元冷卻水溫升帶出熱量。工作人員針對冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量與溫升，以及冷卻單元的冷卻強度與冷卻水的進水溫度，都需要深入的分析，找準(zhǔn)關(guān)系，增加冷卻強度。在本次研究中模型忽略了反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的影響，掛渣的形成機理以及掛渣對反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的影響，所以在反應(yīng)塔的冷卻系統(tǒng)研究中，要將其當(dāng)作下一步工作。

［1］熊宗維.數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2014，02:15-17.

［2］鄭婧玲，吳宏武.塑料型材擠出定型冷卻系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)值模擬概述［J］.塑料工業(yè)，2011，10:12-16.

［3］趙寧，沈伯雄，楊曉燕，劉亭.煙氣選擇性催化還原脫硝的數(shù)值模擬研究進展［J］.化工進展，2010，11:2165-2170.