反应釜用底置推进器数值分析与试验_尚勇.pdf

2022 年 第 12 期 化学工程与装备 2022 年 12 月 Chemical Engineering&Equipment 159 反应釜用底置推进器数值分析与试验反应釜用底置推进器数值分析与试验 尚 勇1，雷 洋1，刘家欢1，曾永忠2（1四川省自贡工业泵有限责任公司，四川 自贡 643031；2西华大学 能源与动力工程学院，四川 成都 610039）摘摘 要要：分析底置推进器对反应釜内流场影响并进行试验研究。借助 CFD 软件，采用 S-A 湍流模型与 N-S方程进行封闭计算，得到反应釜流场分布，并做验证试验。计算表明：反应釜内部存在“涡流”，顶部及拐角区域明显，有物料混合不均或结晶下沉堆积可能；运转试验分析表明：变频调节可使反应釜液流处于最佳运行状态，针对反应釜内部复杂流动及性能进行预测的数值分析可靠。关键词：关键词：底置推进器；反应釜；涡流；数值计算；运转试验 引引 言言 底置推进器是为结晶器、反应釜等装置而设计的浆液推进设备。国外，Micale 等1对反应釜中含固介质分布进行计算研究。Jaworski 等2对搅拌器进行计算研究。国内，胡跃华3团队研究及开发了复合式搅拌器。苗一等4-5对串联涡轮式搅拌器在反应釜中有效混合时间进行模拟分析，借助CFD 软件对反应釜内部流动进行模拟分析的方法日益普及6-7。本文借助 CFD 软件，采用 S-A 湍流模型与 N-S 方程对反应釜内流场进行数值分析，探寻反应釜流场及推进器水力性能，并进行试验测试，并将数值计算与试验结果进行验证对比。1 1 模型及控制方程模型及控制方程 1.1 模型及计算域网格划分 推进器设计参数：叶轮外径 D1=1.5m，流量 Q=13000m3/h，扬程 H=1.1m，效率=85%，转速 n=105r/min；叶片旋转中心至反应釜底部距离：L=1.8m；反应釜外径 D2=10m，高度D3=12m，容积 V=700m3。试验装置及计算模型网格如图 1 和图 2 所示：图图 1 1 反应釜及推进器三维模型及试验装置示意图反应釜及推进器三维模型及试验装置示意图 反应釜流体网格 推进轮网格 反应釜、推进轮截面网格 图图 2 2 反应釜及推进器网格划分示意图反应釜及推进器网格划分示意图 1.2 控制方程及湍流模型 N-S 方程组采用动量及能量守恒方程构建组成8：()21tuuuupF=+=+9 （1）0u=14 （2）式中：u为速度；t为时间；tu为速度对时间的变化率；为梯度算子；为粘度系数；p为压力；为密度；F为外力。S-A 计算湍流模型输运方程10为：()()()221ibijjiuGCYStxxxxvvvvvvvvv+=+（3）DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.098160 尚 勇：反应釜用底置推进器数值分析与试验 其中：Gv为湍流粘度增加项，v为湍流运动粘度，Yv为湍流粘度减少项，Sv为用户自定义源项，v和2bC为常量。1.3 计算条件及模拟计算 条件设置：（1）确定介质及转速。（2）反应釜内壁面为静止区域，边界类型为 WALL。收敛标准：（1）残差计算收敛精度 1E-006，性能参数随迭代步数呈脉动分布；（2）若计算存在大分离状态，则各性能设置参数呈周期脉动变化，即可视计算结果满是预期要求。2 2 计算结果及分析计算结果及分析 2.1 设计流量、转速下反应釜内流场分布 反应釜内部流线分布 反应釜内部速度矢量分布 反应釜内部压力分布 图图 3 3 反应釜内部流线、速度矢量及压力分布反应釜内部流线、速度矢量及压力分布 图 3 分析表明：（1）推进轮外缘流速较轮毂区域高，套筒内流速均匀，流态稳定，无明显“涡流”；（2）反应釜底部、上部拐角处及中部区域产生“涡流”，存在介质混合不均及结晶下沉堆积可能；改进反应釜结构及推进轮可加以改进；（3）反应釜内部流速均匀，介质流态满足设计预期；（4）设计工况下，推进轮套筒进口至叶轮区域压力较低，推进轮套筒出口至叶轮区域压力较高，套筒外、反应釜内压力均匀，无大压力梯度区域。2.2 设计转速时，不同流量工况下，推进轮模拟与试验数据对比 推进器用推进轮采用循环泵测试方法测试，本次试验借助我司 B 级精度水泵测试系统，对该推进器叶轮水力性能进行运转试验。图图 4 4 公司测试中心场地布置图公司测试中心场地布置图 图图 5 5 不同工况下推进器不同工况下推进器 Q Q-模拟与试验曲线模拟与试验曲线 图图 6 6 不同工况下推进器不同工况下推进器 Q Q-H H 模模拟拟与试验曲线与试验曲线 图 5 和图 6 分析表明：（1）不同测试工况下，推进器计算 H 和 略高。原因：数值计算基于壁面光滑，进口无进口预旋等进行。（2）设计参数下，试验及计算 H 相对误差4%内，相对误差 7%内；小流量及大流量工况下，H 和 相对误差 10%内。综上表明：一定流量下，数值计算可客观、准确反映旋转机械内部复杂三维流动，并对推进轮性能进行预测。2.3 推进器在不同转速时，反应釜试验运转试验对比 n=63r/min 时，反应釜流体流态 n=84r/min 时，反应釜流体流态 n=105r/min 时，反应釜流体流态 图图 7 7 不同转速时，反应釜运转试验对比不同转速时，反应釜运转试验对比 图 7 分析表明：推进器变频运转试验，反应釜内流体流态不同；n=63r/min 时，液流呈间歇性翻腾状态，表面出现较大“涡流”，反应釜出现间歇性振动；n=84r/min 时，液流运行平稳，反应釜无明显振动；n=105r/min 时，液流运呈现沸腾状，反应釜无明显振动。3 3 结结 语语 借助流体分析软件，对底部设置推进器的反应釜进行数值分析及试验验证，分析表明：（下转第（下转第 1 16464 页）页）164 林 冲：催化裂化装置主风机的启动控制保护系统综述 按照“机组启动条件”操作画面指示，首先使机组联锁各条件侧正常，按复位按钮，使联锁复位。进行预检查，满足机组各项启动条件，画面显示“启动条件满足”和“允许启动”。若选择电机启动方式，电机允许合闸指示灯亮，即可进行合闸操作。若选择烟机启动方式，按“切断阀开启按钮”，打开烟机入口闸阀，并解锁烟机入口调节蝶阀，根据机械专业的要求用蝶阀调节器缓慢开蝶阀，以满足烟机轮盘升温暖机和烟机冲转要求。当烟机转速大于 3563rpm（95%Ne）时，电机允许合闸指示灯亮，点击“电机允许合闸”，将允许合闸信号给电气开关柜，现场可以通过机旁操作柱进行合闸。电机合闸后，机组转速达到额定转速，进入安全运行状态，保持 5 分钟，以考察机组运行状况，5 分钟后，“允许自动操作”灯亮，点击确认后机组进入自动操作状态。（在电机合闸前，当机组转速大于 3638rpm（97%Ne），机组进入自动操作状态，主风机静叶将解锁，此时应适时调节静叶，使机组不会因喉部差压过低导致安全运行动作。）6 6 结结 语语 通过以上的联锁逻辑的调试，保证了主风机组运行的必要条件，为催化裂化装置的稳定运行提供了先决条件。呼和浩特石化公司 280 万吨/年催化裂化自控系统从安装、调试、投用、检修等过程本人解决了很多问题，积累了化工装置施工的实际现场经验。本文仅对主风机组启动的逻辑进行了阐述，为大家提供一点机组控制逻辑应用实例。在大型机组、化工装置的自控系统方面还有很多方面需要积极的探索，需要结合实际不断总结经验，为化工装置的平稳运行贡献微薄之力。参考文献参考文献 1 马召辉,徐平义.催化裂化装置主风机四机组的控制与保护综述J.石油化工设备技术,2013,34(03):26-31+72.2 贺文敏,黎明.催化裂化能量回收机组控制系统的设计与实施J.计算机与应用化学,2006(02):103-106.3 孙建兵.催化裂化装置主风机综合控制系统的应用J.化工设计通讯,2018,44(04):110-111.4 周勇,李荣霞.浅谈压缩机防喘振控制J.内蒙古石油化工,2007(04):56.（上接第（上接第 160160 页）页）_ （1）数值分析表明：反应釜存在涡流，顶部及拐角处相对明显，存在物料混合不均、结晶下沉堆积可能；（2）模拟及试验对比表明：推进器对反应釜内循环促进效果显著，对反应釜内部复杂三维流动及水力性能预测分析可靠，为进器在化工领域进的深入推广奠定基础。（3）数值模拟基于理想状态进行，与试验结果存在一定误差合理且可信。为从事与旋转机械相关的设计和研发人员在生产实践中提供了有效参考途径。（4）反应釜运行生产时，可对底置推进器进行变频运转，使反应釜处于最佳工作状态。参考文献参考文献 1 MICALE G,MONTANTE G,GRISAFI F,et al.CFD Simulation of Particle Distribution in Stirred vesselsJ.Chemical Engineering Research and Design,2000,78(3):435-444.2 JAWORSKI Z,BUJALSKI W,OTOMO N,et al.CFD Study of Homogenization With Dual Rushton Turbines-comparison With Experimental ResultsJ.Chemical Engineering Research and Design,2000,78(3):327-333.3 胡跃华.复合式搅拌器设计与探索J.石化技术,2002,9(1):43-45.4 苗一,潘家祯,张国娟,等.双层涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟J.华东理工大学学报(自然科学版),2006,32(3):352-356.5 苗一,潘家祯,牛国瑞,等.多层桨搅拌槽内的宏观混合特性J.华东理工大学学报(自然科学版),2006,32(3):357-360.6 梁瑛娜,高殿荣.双层直斜叶及其组合桨搅拌槽三维流场数值模拟J.机械工程学报,2008,44(11):290-297.