一種小型超臨界噴射反應(yīng)器噴嘴工業(yè)化設(shè)計(jì)探討

龔宣銘，韋仙健，阮晉德，玉曾仁，董廣成

（百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

自從1822年Cagniard首次報(bào)道物質(zhì)的臨界現(xiàn)象以來，世界各國學(xué)者便開始對超臨界現(xiàn)象和技術(shù)進(jìn)行研究，并在各個領(lǐng)域取得了快速發(fā)展。至今，超臨界技術(shù)已迅速擴(kuò)展到分離等領(lǐng)域［1-9］。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)［10-19］，利用金屬和金屬氧化物等無機(jī)化合物不溶于非敏感水的特性和超臨界水熱合成方法，可瞬間形成大的氫氧化物核數(shù)，然后通過脫水過程獲得精細(xì)納米顆粒。該工藝已用于以批量和連續(xù)模式生產(chǎn)大量金屬氧化物。還有研究者在此基礎(chǔ)上，采用超臨界技術(shù)，利用連續(xù)化的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了不同催化劑在不同溶液中分別合成納米級 Fe2CoO4、BaZrO3（鈣鈦礦）和二氧化鈦（銳鈦礦）等原材料。因此，利用超臨界技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)無機(jī)鹽的回收，還可以進(jìn)行大規(guī)模納米級昂貴原材料的合成制備，工業(yè)化意義深遠(yuǎn)。在國內(nèi)，超臨界流體萃取技術(shù)已經(jīng)從科研階段過渡到了小型工業(yè)化階段，但其工業(yè)化應(yīng)用時間很短。而且在超臨界流體萃取裝置生產(chǎn)過程中，不可避免出現(xiàn)了許多問題，例如安全性不夠高、生產(chǎn)過程不夠穩(wěn)定及生產(chǎn)的物質(zhì)純度不夠等。在從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化試點(diǎn)過程，有一些變量或參數(shù)是能否成功擴(kuò)大工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)鍵。由于要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，且受實(shí)驗(yàn)極端條件的限制，這些變量或參數(shù)很難只通過實(shí)驗(yàn)獲得。過程建模是研究這些變量或參數(shù)在不同尺度下的潛在影響以及評估替代設(shè)計(jì)的有用工具，最有效的建模方法是采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）預(yù)測粒子演化的條件和種群平衡隨時間的分布。

本文基于帶有k-ε湍流模型的ANSYS Fluent有限元軟件包，采用CFD技術(shù)對某超臨界反應(yīng)裝置中一特定工藝的小型超臨界噴射反應(yīng)器噴嘴的流動、混合和傳熱進(jìn)行模擬，并指導(dǎo)其工程設(shè)計(jì)，以保證流體在反應(yīng)器溫度場內(nèi)充分接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物生成量最大化。

1 小型超臨界噴射反應(yīng)器簡介

該小型超臨界噴射反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 小型超臨界噴射反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示圖

在 22～30 MPa、400～500℃工藝條件下，通過高壓輸液泵分別從反應(yīng)器管口a、管口b和管口c輸入3股流體。管口a為某種指定高溫超臨界水入口，管口b和管口c為2股常溫指定反應(yīng)介質(zhì)入口，3股流體在反應(yīng)器內(nèi)混合發(fā)生反應(yīng)，最終反應(yīng)產(chǎn)物從管口d流出。

反應(yīng)器管口a處管道的內(nèi)直徑為Di，管口b、c和 d處管道的內(nèi)直徑為 D1，Di和 D1均小于0.01 m，管道非常細(xì)。尤其管口a處與反應(yīng)器是套管連接，使得反應(yīng)流體在反應(yīng)器內(nèi)的流型變得復(fù)雜且流型與管道尺寸密切相關(guān)。該工況下的反應(yīng)器設(shè)計(jì)與常規(guī)流體設(shè)備設(shè)計(jì)有所不同，設(shè)計(jì)內(nèi)容和難度增加。因此，利用仿真手段來提高設(shè)計(jì)效率十分必要。

2 噴嘴有限元仿真理論基礎(chǔ)

2.1 控制方程

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在石油化工、核工業(yè)、機(jī)械制造及能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。文中基于ANSYS軟件提供的通過單位時間內(nèi)平均雷諾數(shù)獲得單位時間平均瞬時方程的方法獲得質(zhì)量、動量、熱能和物質(zhì)傳輸仿真控制方程，表達(dá)式如下。

式（1）～式（5）中，ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；xj為基矢量j方向空間點(diǎn)位置，xi為基矢量i方向空間點(diǎn)位置；uj為基矢量j方向速度，ui為基矢量i方向速度，m/s；p 為壓力，τij為黏性應(yīng)力，MPa；Yi為物種質(zhì)量分?jǐn)?shù)；μj為基矢量j方向黏度，μt為湍流渦黏度，Pa·s；h 為比焓，J/kg；λ 為熱導(dǎo)率，W/(K·m)；T 為溫度，K；Prt為湍流普朗特?cái)?shù)；Гi為每種物料擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Sct為湍流施密特?cái)?shù)。

2.2 湍流模型

由給定的工藝條件可知，反應(yīng)器進(jìn)料流體均為湍流流動。湍流的基本特征是流體微團(tuán)運(yùn)動的隨機(jī)性，湍流微團(tuán)不僅有橫向脈動，而且有相對于流體總運(yùn)動的反向運(yùn)動，因而流體微團(tuán)的軌跡極其紊亂，隨時間變化很快。湍流中最重要的現(xiàn)象是由這種隨機(jī)運(yùn)動引起的動量、熱量和質(zhì)量的傳遞，其傳遞速率比層流高幾個數(shù)量級。文中模擬采用了ANSYS軟件提供的最常用的k-ε湍流模型，湍流動能k及其耗散率ε由以下傳輸方程獲得：

式（6）～式（8）中，經(jīng)驗(yàn)常數(shù) σk=1、σε=1.3，Cε1=1.44、Cε2=1.92 ；μi為基矢量 i方向的黏度，Pa·s。

2.3 超臨界水物性參數(shù)處理

國際水和水蒸氣性質(zhì)學(xué)會（IAPWS）提供了通用和科學(xué)用途的普通水熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算公式，該公式還可用于計(jì)算水的性質(zhì)，如密度、黏度、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等，但需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來確定這些公式里的參數(shù)。除此之外，如果將這些公式嵌入到仿真軟件中，在計(jì)算超臨界水熱力學(xué)和流體力學(xué)參數(shù)時會占用相當(dāng)大的計(jì)算資源。為避免這個問題，本文直接選用1995年美國國家科學(xué)院基于1995年IAPWS制定的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，通過在24 MPa下幾個分段溫度內(nèi)獲得的可內(nèi)外插值的多項(xiàng)式形式來擬合分段曲線。利用該曲線可以高效準(zhǔn)確地計(jì)算超臨界水的熱力學(xué)物性參數(shù)。

3 噴嘴仿真過程及結(jié)果分析

3.1 有限元建模及網(wǎng)格劃分

使用ANSYS軟件的SCDM模塊進(jìn)行幾何建模，再采用WORKBENCH模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分了16 000個網(wǎng)格單元的小型超臨界噴射反應(yīng)器二維模型及計(jì)算域見圖2和圖3。

圖2 小型超臨界噴射反應(yīng)器二維模型

圖3 小型超臨界噴射反應(yīng)器二維模型計(jì)算域

3.2 噴嘴類型設(shè)計(jì)

進(jìn)料管口a的超臨界水溫度500℃、工作壓力24 MPa，進(jìn)料管口b、管口c的2股反應(yīng)進(jìn)料溫度均為25℃、工作壓力均為24 MPa。3股進(jìn)料流的流速固定為100 m/s。3股物料在反應(yīng)器內(nèi)混合反應(yīng)后從反應(yīng)器管口d流出。為了管道保溫，在超臨界流體進(jìn)口管道外壁及與該管道相連接的反應(yīng)器外壁纏繞恒溫伴熱帶。為了研究反應(yīng)器內(nèi)流體速度場和溫度場隨噴嘴出口位置的變化，設(shè)計(jì)了類型一和類型二噴嘴，類型一噴嘴出口置于管口b（管口c）中心線，類型二噴嘴出口與管口b和管口c管壁內(nèi)側(cè)平齊 （未超過管b和管c的中心線側(cè)）。為了研究反應(yīng)器內(nèi)流體速度場和溫度場隨噴嘴直徑的變化，設(shè)計(jì)了類型三和類型四噴嘴，這2種噴嘴的出口均置于管口b（管口c）中心線平齊位置，噴嘴直徑分別縮小到原來的75%和50%。4種類型噴嘴示意結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 4種噴嘴結(jié)構(gòu)示圖

3.3 仿真結(jié)果及分析

使用ANSYS Fluent有限元軟件中的二階迎風(fēng)格式對控制方程中對流項(xiàng)進(jìn)行離散化，并且求解湍流量方程，同時獲得了4種類型噴嘴反應(yīng)器內(nèi)流體的速度場和溫度場分布云圖，分別見圖5和圖6。

圖5 4種類型噴嘴反應(yīng)器內(nèi)流體速度場分布云圖

圖6 4種類型噴嘴反應(yīng)器內(nèi)流體溫度場分布云圖

從圖5看出，類型一和類型二噴嘴的反應(yīng)器內(nèi)流體速度場沒有明顯區(qū)別，最大速度分別為387 m/s和380 m/s，且都發(fā)生在反應(yīng)器與管口d的連接區(qū)域。流體進(jìn)入出料管后，隨出料管長度的增加，流體速度均勻減小。對類型三和類型四噴嘴，反應(yīng)器內(nèi)流體速度場有明顯區(qū)別，最大速度分別為401 m/s和597 m/s，類型三噴嘴最大速度發(fā)生在反應(yīng)器與管口d的連接區(qū)域，類型四噴嘴最大速度是發(fā)生在噴嘴出口處。在符合充分接觸反應(yīng)時間的前提下，僅從生產(chǎn)效率的角度看，類型三和類型四噴嘴明顯優(yōu)于類型一和類型二噴嘴。

從圖6中可以看出，流體的溫度場與噴嘴的出口位置和形狀密切相關(guān)。盡管4種類型噴嘴都能使超臨界水在管口a出口處保持最高溫度（800 K），但在最高溫度下類型四噴嘴所圍成的面積明顯小于其它3種類型噴嘴。所以僅從溫度場的均勻性和有效性來看，類型四噴嘴明顯優(yōu)于其它3種類型噴嘴。

4 結(jié)語

對小型超臨界噴射反應(yīng)器噴嘴進(jìn)行了有限元仿真工程設(shè)計(jì)。從仿真結(jié)果可以看出，改變噴嘴在指定的2個位置，流體的速度場和溫度場變化程度沒有改變噴嘴直徑導(dǎo)致流體速度場和溫度場變化程度劇烈。噴嘴直徑越大，有效反應(yīng)接觸面積越??；噴嘴直徑越小，有效反應(yīng)接觸面積越大。有限元仿真是噴嘴工程設(shè)計(jì)的一種有效方法，可用于中試放大及工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，為其他類似超臨界裝置的工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。