旋風(fēng)式HCl-C2H2混和器的內(nèi)部流場(chǎng)分析

陳以文，楊 清

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

聚氯乙烯簡稱PVC,是一種由氯乙烯在引發(fā)劑的作用下聚合而成的熱塑性樹脂，也是我國重要的有機(jī)合成材料之一.它廣泛用于工業(yè)，建筑，日常生活，包裝，公用事業(yè)，電力等領(lǐng)域.生產(chǎn)聚氯乙烯的方法主要包括懸浮聚合法，乳液聚合法，本體聚合法.采用電石法，石油法，乙烯法生產(chǎn)VCM單體.本研究主要涉及國內(nèi)主流VCM單體的生產(chǎn)方法——電石法.運(yùn)用電石法生產(chǎn)VCM單體時(shí)，需要將HCl與C2H2混合.旋風(fēng)式混合器是用于HCl與C2H2混合的重要化工設(shè)備.它是后續(xù)HCl與C2H2充分混合反應(yīng)生成VCM的重要保證，此過程中需要實(shí)時(shí)的對(duì)混合器混合后的氣體進(jìn)行抽樣檢測(cè).以確保HCl-C2H2的混合比例控制在1∶(1.05～1.10)的范圍之內(nèi).如果處理不當(dāng)，輕則引起產(chǎn)品質(zhì)量低劣，重則可能造成過氯而引起混合器的爆炸.所以對(duì)混合器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是極其重要的.如圖1所示為PVC生產(chǎn)線工藝流程圖.

圖1 PVC生產(chǎn)線工藝流程圖

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

旋風(fēng)式混合器按常溫常壓設(shè)計(jì)，由于考慮到在實(shí)際的工況下，氯離子對(duì)不銹鋼的腐蝕性和非金屬材料諸如樹脂制作設(shè)備的難度.故而采用普通碳鋼Q235作為旋風(fēng)式混合器的筒體材料，混合器總長為2 000 mm.外筒體的公稱直徑為800 mm.運(yùn)用Gambit繪制混合器的三維幾何模型，導(dǎo)入到CAE軟件中后，如圖2所示：

圖2 旋風(fēng)式混合器幾何模型

1.2 有限元模型的建立

依據(jù)創(chuàng)建的實(shí)體模型.使用CAE軟件生成有限元模型，并且劃分網(wǎng)格.模擬實(shí)際工況下HCl氣體從混合器沿切線偏心進(jìn)入筒體與套筒夾層內(nèi)的流場(chǎng)情況，本有限元模型中有限元模型的確立依據(jù)常用的CFD技術(shù)確立.對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定性定量分析，并同時(shí)考慮實(shí)際情況下混合器的特定的工況環(huán)境,從而得到混合器筒體合適的開孔位置和筒體內(nèi)出現(xiàn)的應(yīng)力集中部位,為優(yōu)化旋風(fēng)式混合器提供了理論依據(jù).有限元模型如圖3.

圖3 旋風(fēng)式混合器有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

在圖中建立的有限元模型建立有限元模型后，通過坐標(biāo)原點(diǎn)作X=0截面，沿著此截面可以更好的觀察筒體與套筒間夾層的流體形態(tài).筆者得到計(jì)算結(jié)果中的此截面上套筒與混合器筒體之間的夾層內(nèi)的流體速度矢量圖，如圖4所示.

圖4 夾層X=0截面處速度矢量圖

由圖可知，在HCl和C2H2混合氣體的出口兩側(cè)處速度矢量達(dá)到幅值19.8 m/s,在HCl氣體入口處氣體流速則達(dá)到14 m/s.可見，在混合器HCl進(jìn)口及混合器出口位置處氣體的流速較大，此兩處是設(shè)備可能發(fā)生泄漏的重要部位.另外，為觀察筒內(nèi)的夾層的應(yīng)力分布情況，對(duì)筒內(nèi)流體的應(yīng)力分布有一個(gè)具體的了解，筆者需要從計(jì)算結(jié)果中得到總體應(yīng)力分布云圖.對(duì)設(shè)備各處的內(nèi)力做一個(gè)全面的分析.應(yīng)力分布云圖如下圖5.

圖5 夾層X=0截面處應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

如圖5所示，混合器上側(cè)部外筒體應(yīng)力達(dá)到263 Pa.靠HCl進(jìn)口以下的部位筒體應(yīng)力達(dá)到200 Pa.盡管設(shè)備的總體應(yīng)力較小.在設(shè)備的制造過程中仍需做好防酸處理，以防止設(shè)備在后續(xù)使用中出現(xiàn)的化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕.

在分析速度矢量時(shí)，注意到速度矢量的大小和梯度的同時(shí)，還需要關(guān)注周邊漩渦的形成概況，要準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)實(shí)工況下漩渦的位置與強(qiáng)度，需要得到速度等值線圖，速度等值線圖如圖6.

圖6 夾層X=0截面處速度等值線圖

如圖6所示，夾層內(nèi)出現(xiàn)了5個(gè)漩渦.其中在混合氣體的出口處最為激烈.出現(xiàn)了緊縮現(xiàn)象.從微觀上講，這些都是氣體分子之間發(fā)生激烈碰撞，交換的位置.

3 結(jié) 語

a.在筒體的入口處，HCl氣體沖擊筒體，在此處的速度矢量梯度是最大的，在此，速度增快加大，且是上半筒體的最大速度的出現(xiàn)位置，在此開孔的話，也可以認(rèn)為是較佳的位置.兩種流體橫向?qū)α?即可達(dá)到最大的程度上的接觸.

b.選擇在1，4漩渦處開第二排孔，是因?yàn)榇藘商幍牧黧w流線較復(fù)雜.在空間的各個(gè)平面皆有走向，是紊流產(chǎn)生的中心區(qū)域.此處橫縱向皆可產(chǎn)生對(duì)流.是較佳的開孔位置.

c.應(yīng)力較大的分布位置在進(jìn)口靠外筒的上半部和靠外筒的漩渦下部直到錐殼附近.漩渦處與套筒接觸部分應(yīng)力也較大.

d.混合氣體的出口管口處，出現(xiàn)了緊縮現(xiàn)象，此處的速度矢量較大,梯度變化明顯.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王淑媛.氯化氫-乙炔混合器的改進(jìn)[J].科學(xué)情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004(6):291-292.

[2] 趙玉潮,應(yīng)盈,陳光文,等.T型微混合器內(nèi)的混合特性[J].化工學(xué)報(bào)，2006(8):1884-1890.

[3] 陳翼,張林進(jìn),葉旭初.射流混合器內(nèi)氣體湍流擴(kuò)散過程的CFD數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].過程工程學(xué)報(bào)，2007(10):866-870.

[4] 陽潔.靜態(tài)混合器的選擇及設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，1999(2):24-27.

[5] 張春梅，吳建華.SK型靜態(tài)混合器出口速度特性研究[J].化工機(jī)械，2008(5):263-266.

[6] 陳鎮(zhèn),趙彥光,陸國棟,等.柴油機(jī)尿素SCR混合器的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011(2):58-60.

[7] 陳美多,趙強(qiáng).混合器優(yōu)化設(shè)計(jì)建模[J].科技向?qū)В?011(2):72-73.

[8] 吳玉雷,陳光輝,王偉文,等.管式液固靜態(tài)混合器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(8):385-387.

[9] 偶國富,鄭智劍,章利特.加氫空冷器入口靜態(tài)混合器混合效果數(shù)據(jù)模擬[J].煉油技術(shù)與工程，2010(5):35-38.

[10] 戴明輝.靜態(tài)混合器在聚乙烯醇生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].維綸通訊，2007(6):32-33.