反應(yīng)釜是一種物理或者化學(xué)反應(yīng)的容器，通過對容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)的科學(xué)配置是實(shí)現(xiàn)工藝要求和預(yù)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一般都是 在其中采用加熱、蒸發(fā)、冷卻以及高低速混合配用功能的主要設(shè)備。目前反應(yīng)釜加熱爐被廣泛的應(yīng)用在石油、化工、橡膠等工業(yè)制造業(yè)，其在工作中多數(shù)都是以物理和化學(xué)反應(yīng)的方式來進(jìn)行工作。經(jīng)過過去多年的工作 實(shí)踐總結(jié)，某企業(yè)反應(yīng)釜加熱爐在工作的過程中下部正對燃燒室的釜體發(fā)生了凹陷變形，對生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率帶來嚴(yán)重的影響，并影響了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文主要結(jié)合這一實(shí)例對反應(yīng)釜釜體變形分析與改進(jìn)進(jìn)行 了全面深入的總結(jié)與探討。
一 、反應(yīng)釜總體結(jié)構(gòu)與用途
1、反應(yīng)釜通常都是由釜體、傳熱裝置、攪拌以及密封等部分組成。
1．1、釜體
在其運(yùn)行的過程中釜體部分主要是物料進(jìn)行化學(xué)、物理反應(yīng)的空間，通常在制作的過程中都是有簡體與上下封頭共同組成，一般情況下， 釜體結(jié)構(gòu)都是一個(gè)密封的形式，不過在企業(yè)運(yùn)行的過程中也有時(shí)候采用敞開式，這種形式主要是以反應(yīng)介質(zhì)來規(guī)定的。
1．2、傳熱裝置
傳熱裝置主要是釜體內(nèi)部或者外部設(shè)置一定的加熱或者制冷設(shè)備， 進(jìn)而利用其進(jìn)行傳熱、導(dǎo)熱工作，通常這個(gè)部位都是與釜體的外部夾套 或者內(nèi)部蛇管相連接。
1.3、攪拌裝置
為了能夠確保材料反映充分、均勻，一般在設(shè)置的過程中都是需要 設(shè)定一定的攪拌裝置，這也是保證混合材料均勻，彼此接觸良好的關(guān)鍵。 一般情況下，攪拌裝置通常都是由攪拌軸和攪拌器兩部分組成，其攪拌軸主要是隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)攪拌軸對釜體內(nèi)部材 料進(jìn)行攪拌。
1．4、由于攪拌軸是動(dòng)的，而釜體封頭是靜的，所以在攪拌軸伸出之處必需進(jìn)行密封(軸封)，軸封的作用是保持設(shè)備內(nèi)的壓力(或真空度)，防止反應(yīng)物料逸出和雜質(zhì)滲入。軸封通常采用填料密封或機(jī)械密封。
二、反應(yīng)釜改造前的CFI)分析
1計(jì)算模型及網(wǎng)格
本文利用Gambit軟件建立了反應(yīng)釜三維計(jì)算模型，并劃分了61萬六 面體網(wǎng)格。離散方程的求解采用大型商用軟件FLUENT進(jìn)行。反應(yīng)釜爐膛 內(nèi)流動(dòng)為充分發(fā)展的湍流，因此爐內(nèi)流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1．因此煙 氣與壁面的輻射換熱采用Pl模型計(jì)算，可以用較小的計(jì)算時(shí)間得到相對 可靠的結(jié)果。
本文主要分析爐膛內(nèi)煙氣與反應(yīng)釜壁面的輻射及對流傳熱，對具體 燃燒機(jī)理不做深人研究，且計(jì)算網(wǎng)格比較多，因此燃燒模擬采用計(jì)算量 相對較小的PDF模型。考慮到現(xiàn)場工業(yè)裝置的復(fù)雜性，CFD模擬的初衷就 是為工業(yè)設(shè)備提供一個(gè)定性結(jié)論，準(zhǔn)確的定量計(jì)算目前還只能在一些簡 單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系玫?。因此本文根?jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定邊界條件數(shù)值，在所 有模擬計(jì)算中采用相同的邊界條件，將得到的結(jié)果進(jìn)行對比，可以得到 一個(gè)定性的結(jié)論。
焦?fàn)t煤氣和空氣均為常溫，燃?xì)獠捎盟俣冗M(jìn)口邊界條件，流量 20m3／h，計(jì)算得到燃?xì)鈬娍姿俣?9m／s?？諝鉃樽匀晃L(fēng)，其入口采用 壓力入口，壓力為大氣壓(表壓0Pa)。出口采用壓力出口邊界條件，出口壓 力60Pa。爐膛及反應(yīng)釜壁面滿足無滑移邊界條件，近壁處應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面 函數(shù)處理。爐膛壁面熱流量設(shè)定為一200w／m2，用于模擬散熱損失。爐膛內(nèi)壁面為耐火磚，發(fā)射率設(shè)定為0．85。目前的CFD技術(shù)還難以對反應(yīng) 釜內(nèi)瀝青的攪拌及流動(dòng)過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，因此本文不模擬反應(yīng)釜內(nèi)瀝青的流動(dòng)及內(nèi)部傳熱瀝青與反應(yīng)釜壁面的換熱主要是對流換熱，本文 通過給定釜內(nèi)瀝青的溫度(673K1及瀝青與反應(yīng)釜表面的對流換熱系數(shù) (13000W ／(m27K))來模擬瀝青與反應(yīng)釜之間的傳熱。
2 CFD結(jié)果與分析
為反應(yīng)釜燃燒器所在截面上的溫度分布，可以看出由于燃燒器設(shè)計(jì) 不合理，空氣和煤氣混合情況不佳，燃燒火焰過長。由于空氣和煤氣到達(dá) 擋火墻時(shí)仍未完全混合燃燒，因此擋火墻不但未起到預(yù)期的作用，反而影響了煤氣的燃燒?；鹧娼?jīng)過兩道擋火墻后直接沖刷反應(yīng)釜壁面，導(dǎo)致 燃燒室出口處的反應(yīng)釜外表面出現(xiàn)局部高溫區(qū) 以上模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果是一致的：燃燒器結(jié)構(gòu)及爐膛擋火墻設(shè)計(jì)不合理使得空氣與燃?xì)饣旌喜缓?，火焰拉長，燃燒效率及溫度降低， 現(xiàn)場觀測的現(xiàn)象是燃燒室內(nèi)發(fā)紅且火焰偏軟無力；燃燒后的高溫?zé)煔獬鋈紵液笾苯記_刷反應(yīng)釜壁面，形成一個(gè)沖擊射流，沖擊射流的對流換 熱系數(shù)高，同時(shí)此處煙氣溫度也較高，因此導(dǎo)致此處的壁面溫度高。
三、反應(yīng)釜改進(jìn)方案
l、反應(yīng)釜改進(jìn)方案
根據(jù)CFD模擬計(jì)算結(jié)果，道擋火墻影響燃燒，因此改進(jìn)方案中將道擋火墻拆除，增大燃燒室空問，使燃料充分燃燒后再經(jīng)過第二道 擋火墻進(jìn)入爐膛與反應(yīng)釜換熱。原燃燒器結(jié)構(gòu)也不夠合理。為提高燃燒器調(diào)節(jié)范圍，將燃料分為一次煤氣和二次煤氣。低負(fù)荷時(shí)只打開一次煤氣，使煤氣在低負(fù)荷時(shí)也有足夠的噴射速度，保證與空氣的混合，高負(fù)荷時(shí)再打開二次燃料?？諝夥譃橹行娘L(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)三股與燃料混臺，增大了煤氣和空氣的接觸面積，強(qiáng)化混合。同時(shí)燃燒器加裝調(diào)節(jié)風(fēng)門，隨著煤氣流量變化調(diào)節(jié)供風(fēng)量，保證良好的風(fēng)燃比。
2、改進(jìn)方案的模擬
為進(jìn)行直接對比，對改進(jìn)方案進(jìn)行模擬時(shí)采用與改造前相同的邊界 條件。改進(jìn)后中心截面的溫度分布，可見燃燒器改進(jìn)后火焰縮短性增 強(qiáng)。相對火焰峰值溫度由1860K增加到2O5OK，說明燃燒狀況得到明顯改善。去掉一道擋火墻后，增大了燃燒空間，煤氣與空氣得以充分混合并燃 燒，煤氣在擋火墻前已經(jīng)燃燒完全。
四、結(jié)論
通過CFD方法對反應(yīng)釜的燃燒和傳熱情況進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果顯示反應(yīng)釜壁面在燃燒室出口處存在一個(gè)局部高溫區(qū)，與變形部位正好一 致，說明反應(yīng)釜變形主要是由于局部很溫引起的。采用改善燃燒器結(jié)構(gòu)， 拆除一道擋火墻，并在反應(yīng)釜變形部位加上一層隔熱耐火材料的方法對反應(yīng)釜進(jìn)行了改造，CFD和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果均證明該改造方案是成功的。 CFD方法成本低、周期短，并且可以得到一些現(xiàn)場無法得到的數(shù)據(jù)，在工業(yè)爐燃燒與傳熱分析領(lǐng)域有很好的應(yīng)用效果。
