研究數值模擬在反應塔冷卻系統設計中的應用

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）

研究數值模擬在反應塔冷卻系統設計中的應用

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）

反應塔冷卻系統在工作中有著非常重要的作用，本文首先要介紹了數據模擬的建立，然后深入探討了其計算結構與分析，通過這些內容更好的得出數值模擬在反應塔冷卻系統設計中的應用效果。希望這些內容能夠為工作人員設計反應塔冷卻系統提供一定幫助。

數值模擬；反應塔；冷卻系統設計

0 引言

閃速爐是一種冶煉設備，能夠高效處理一些粉狀硫化礦物。這種設備主要由精礦噴嘴、反應塔、沉淀池以及上升煙道四個部分組成。反應塔主要位于沉淀池的上方，其中進行熔煉反應。反應塔的長期環境都是高溫，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塔受到的損害，使用冷卻系統對反應塔進行降溫。現對反應塔冷卻系統設計中的數值模擬情況進行分析，并總結如下。

1 數值模擬的建立

反應塔中的反應過程非常復雜，尤其是高溫煙氣與爐外空氣之間的熱傳遞，其中發生的反應是高溫煙氣與爐體內壁的對流，內部溫度的平衡，以及輻射換熱等。反應塔中這種反應，需要熱量的相互傳遞，還會受到內部材料熱量的影響。冷卻系統的作用，能夠實現冷卻水與冷卻元件之間的熱量置換［1］。這個過程具有結構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，主要應用的模型是熱傳導模型，選取控制容積法進行運算。該模型的研究對象是反應塔爐體，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，對幾何模型網格劃分進行分析。

2 計算結果與分析

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

從計算結果進行分析，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置，還能夠控制冷卻元件周圍的耐火材料區域溫度。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，低溫區域能夠延長耐火材料的壽命，并促進反應塔掛渣的形成，確保反應塔得到更好的保護。

工作人員在數值的模擬計算中，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，所以在冷卻系統設計中，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。所以在冷卻系統的設計中，不能將冷卻水量設計的太小［3］。冷卻水帶出熱量與冷卻水進水溫度的關系，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 結語

數值模擬在反應塔冷卻系統設計中，要進行建模計算，更加準確研究冷卻系統，主要的結果是冷卻單元的效果較好，能夠促進反應塔內壁掛渣的形成。冷卻水會帶走冷卻系統的散熱損失，關鍵是設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的總循環水量與溫升，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，找準關系，增加冷卻強度。在本次研究中模型忽略了反應塔內壁掛渣的影響，掛渣的形成機理以及掛渣對反應塔冷卻系統的影響，所以在反應塔的冷卻系統研究中，要將其當作下一步工作。

［1］熊宗維.數值模擬在反應塔冷卻系統設計中的應用［J］.有色冶金設計與研究，2014，02:15-17.

［2］鄭婧玲，吳宏武.塑料型材擠出定型冷卻系統設計的數值模擬概述［J］.塑料工業，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值模擬研究進展［J］.化工進展，2010，11:2165-2170.