反應釜是(shi)一種物理(li)或者(zhe)化(hua)學反(fan)(fan)應(ying)的容(rong)器，通過對容(rong)器的結構設(she)計(ji)和相關參數的科(ke)學配(pei)置是(shi)實現(xian)工(gong)(gong)(gong)藝要求和預定實驗設(she)計(ji)的關鍵，一般都(dou)是(shi) 在(zai)其中(zhong)采用(yong)加熱、蒸發、冷卻(que)以及高低速混(hun)合配(pei)用(yong)功(gong)能的主要設(she)備。目前反(fan)(fan)應(ying)釜(fu)(fu)(fu)加熱爐(lu)(lu)被(bei)廣泛的應(ying)用(yong)在(zai)石(shi)油、化(hua)工(gong)(gong)(gong)、橡膠等工(gong)(gong)(gong)業制造業，其在(zai)工(gong)(gong)(gong)作中(zhong)多數都(dou)是(shi)以物理(li)和化(hua)學反(fan)(fan)應(ying)的方式來進行工(gong)(gong)(gong)作。經(jing)過過去多年的工(gong)(gong)(gong)作 實踐總結，某企(qi)業反(fan)(fan)應(ying)釜(fu)(fu)(fu)加熱爐(lu)(lu)在(zai)工(gong)(gong)(gong)作的過程中(zhong)下部正對燃燒室的釜(fu)(fu)(fu)體(ti)發生(sheng)了(le)凹陷變形，對生(sheng)產(chan)安全(quan)和生(sheng)產(chan)效(xiao)率帶來嚴重的影響，并影響了(le)企(qi)業經(jing)濟效(xiao)益。本文主要結合這一實例對反(fan)(fan)應(ying)釜(fu)(fu)(fu)釜(fu)(fu)(fu)體(ti)變形分析(xi)與改進進行 了(le)全(quan)面深入的總結與探討。

一 、反應釜總體結(jie)構與(yu)用途

1、反應釜通常都(dou)是(shi)由釜體、傳(chuan)熱裝(zhuang)置、攪拌以及(ji)密封等部(bu)分(fen)組成(cheng)。

1．1、釜體

在(zai)其運(yun)行的過(guo)(guo)程中釜(fu)體(ti)部分主(zhu)(zhu)要是物料進行化(hua)學、物理反應的空間，通常在(zai)制作的過(guo)(guo)程中都是有(you)簡體(ti)與(yu)上下(xia)封頭(tou)共同組成(cheng)，一(yi)般情況下(xia)， 釜(fu)體(ti)結構都是一(yi)個密封的形(xing)式(shi)，不過(guo)(guo)在(zai)企(qi)業運(yun)行的過(guo)(guo)程中也有(you)時候采用(yong)敞開式(shi)，這種形(xing)式(shi)主(zhu)(zhu)要是以(yi)反應介質(zhi)來規定的。

1．2、傳熱裝置

傳(chuan)熱(re)(re)裝置主要是(shi)釜(fu)體(ti)內部(bu)或(huo)者外(wai)部(bu)設置一(yi)定(ding)的(de)加熱(re)(re)或(huo)者制(zhi)冷設備， 進而利用其進行傳(chuan)熱(re)(re)、導熱(re)(re)工作，通常這個部(bu)位都是(shi)與釜(fu)體(ti)的(de)外(wai)部(bu)夾套(tao) 或(huo)者內部(bu)蛇管相連接。

1.3、攪拌裝置

為了(le)能(neng)夠(gou)確保材(cai)料反映充分、均勻，一般在設置(zhi)的(de)過程中都是(shi)需要(yao) 設定一定的(de)攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)裝置(zhi)，這也是(shi)保證(zheng)混合材(cai)料均勻，彼此(ci)接(jie)觸良好的(de)關鍵(jian)。 一般情況下，攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)裝置(zhi)通(tong)常都是(shi)由攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)軸和攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)器兩部(bu)分組(zu)成(cheng)，其攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)軸主要(yao)是(shi)隨著電動(dong)機(ji)的(de)轉動(dong)來進行(xing)運轉，進而帶動(dong)攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)軸對釜體內(nei)部(bu)材(cai) 料進行(xing)攪(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)。

1．4、由于(yu)攪拌軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)是動的，而釜體封(feng)頭是靜的，所以在攪拌軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)伸出之處必需進(jin)行密(mi)封(feng)(軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)封(feng))，軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)封(feng)的作用(yong)是保持(chi)設備(bei)內的壓力(或真空(kong)度)，防止反應(ying)物料逸出和雜質滲入(ru)。軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)封(feng)通常采(cai)用(yong)填料密(mi)封(feng)或機(ji)械密(mi)封(feng)。

二(er)、反應釜改造(zao)前的(de)CFI)分析

1計算模型及網格

本(ben)文(wen)利(li)用(yong)(yong)(yong)Gambit軟(ruan)件建立了(le)反應釜(fu)三維計算(suan)(suan)模(mo)型(xing)，并劃分(fen)了(le)61萬六 面體網格。離(li)散(san)方程(cheng)的(de)(de)求解采用(yong)(yong)(yong)大型(xing)商用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件FLUENT進行(xing)。反應釜(fu)爐膛 內流動為(wei)充(chong)分(fen)發展(zhan)的(de)(de)湍流，因(yin)此(ci)爐內流動采用(yong)(yong)(yong)標(biao)準遠遠大于1．因(yin)此(ci)煙(yan) 氣與壁(bi)面的(de)(de)輻射換熱采用(yong)(yong)(yong)Pl模(mo)型(xing)計算(suan)(suan)，可(ke)以(yi)用(yong)(yong)(yong)較小的(de)(de)計算(suan)(suan)時間得到(dao)相對 可(ke)靠的(de)(de)結果(guo)。

本文主要分析爐膛內煙(yan)氣與反應(ying)釜壁(bi)面的(de)(de)輻射及對流傳熱，對具體 燃燒機理不做深人研(yan)究，且計(ji)算網格比較多，因此(ci)燃燒模(mo)(mo)擬采(cai)用計(ji)算量 相(xiang)對較小(xiao)的(de)(de)PDF模(mo)(mo)型。考慮到現場工業(ye)裝置的(de)(de)復(fu)雜性，CFD模(mo)(mo)擬的(de)(de)初衷就 是為工業(ye)設(she)備(bei)提供一(yi)個定性結(jie)論(lun)，準確的(de)(de)定量計(ji)算目前還只能在一(yi)些簡(jian) 單的(de)(de)實(shi)驗(yan)模(mo)(mo)型上(shang)得(de)到。因此(ci)本文根據現場經驗(yan)確定邊(bian)界條件數值(zhi)，在所 有模(mo)(mo)擬計(ji)算中采(cai)用相(xiang)同的(de)(de)邊(bian)界條件，將(jiang)得(de)到的(de)(de)結(jie)果進行對比，可(ke)以得(de)到 一(yi)個定性的(de)(de)結(jie)論(lun)。

焦爐(lu)(lu)(lu)(lu)煤氣和空氣均為(wei)常(chang)溫，燃(ran)氣采(cai)用(yong)(yong)(yong)速度進口邊界(jie)(jie)條件，流(liu)(liu)量 20m3／h，計算(suan)得到燃(ran)氣噴孔速度79m／s。空氣為(wei)自然吸風(feng)，其(qi)入口采(cai)用(yong)(yong)(yong) 壓力(li)入口，壓力(li)為(wei)大氣壓(表(biao)壓0Pa)。出口采(cai)用(yong)(yong)(yong)壓力(li)出口邊界(jie)(jie)條件，出口壓 力(li)60Pa。爐(lu)(lu)(lu)(lu)膛及(ji)反(fan)應釜(fu)(fu)壁面滿足無(wu)滑移邊界(jie)(jie)條件，近壁處應用(yong)(yong)(yong)標準壁面 函數(shu)處理(li)。爐(lu)(lu)(lu)(lu)膛壁面熱(re)(re)(re)流(liu)(liu)量設定(ding)為(wei)一200w／m2，用(yong)(yong)(yong)于模(mo)擬散熱(re)(re)(re)損(sun)失。爐(lu)(lu)(lu)(lu)膛內(nei)壁面為(wei)耐火磚，發射率設定(ding)為(wei)0．85。目前的(de)CFD技術還難以(yi)對(dui)(dui)反(fan)應 釜(fu)(fu)內(nei)瀝青(qing)的(de)攪拌及(ji)流(liu)(liu)動(dong)過程進行(xing)準確(que)模(mo)擬，因此本(ben)文不模(mo)擬反(fan)應釜(fu)(fu)內(nei)瀝青(qing)的(de)流(liu)(liu)動(dong)及(ji)內(nei)部傳熱(re)(re)(re)瀝青(qing)與(yu)反(fan)應釜(fu)(fu)壁面的(de)換熱(re)(re)(re)主(zhu)要(yao)是對(dui)(dui)流(liu)(liu)換熱(re)(re)(re)，本(ben)文 通過給定(ding)釜(fu)(fu)內(nei)瀝青(qing)的(de)溫度(673K1及(ji)瀝青(qing)與(yu)反(fan)應釜(fu)(fu)表(biao)面的(de)對(dui)(dui)流(liu)(liu)換熱(re)(re)(re)系數(shu) (13000W ／(m27K))來(lai)模(mo)擬瀝青(qing)與(yu)反(fan)應釜(fu)(fu)之間的(de)傳熱(re)(re)(re)。

2 CFD結果與(yu)分析(xi)

為反應釜(fu)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)器所在截面(mian)(mian)上的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)分(fen)布，可以(yi)看出由于燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)器設(she)計(ji) 不(bu)合(he)理，空氣(qi)和(he)煤氣(qi)混(hun)合(he)情況不(bu)佳(jia)，燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)火(huo)焰過(guo)長。由于空氣(qi)和(he)煤氣(qi)到達 擋(dang)(dang)火(huo)墻時仍未完全混(hun)合(he)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)，因此擋(dang)(dang)火(huo)墻不(bu)但未起到預(yu)期(qi)的(de)(de)作用(yong)，反而影(ying)響了煤氣(qi)的(de)(de)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)。火(huo)焰經過(guo)兩道擋(dang)(dang)火(huo)墻后(hou)直(zhi)接沖(chong)刷反應釜(fu)壁(bi)面(mian)(mian)，導致 燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)出口處的(de)(de)反應釜(fu)外表面(mian)(mian)出現(xian)局部(bu)高(gao)溫(wen)(wen)區 以(yi)上模擬(ni)結(jie)果與現(xian)場觀(guan)(guan)測(ce)結(jie)果是一致的(de)(de)：燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)器結(jie)構及爐膛(tang)擋(dang)(dang)火(huo)墻設(she)計(ji)不(bu)合(he)理使得空氣(qi)與燃(ran)(ran)氣(qi)混(hun)合(he)不(bu)好，火(huo)焰拉長，燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)效率及溫(wen)(wen)度(du)降(jiang)低， 現(xian)場觀(guan)(guan)測(ce)的(de)(de)現(xian)象(xiang)是燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)內發紅且火(huo)焰偏軟無力(li)；燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)后(hou)的(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)煙氣(qi)出燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)后(hou)直(zhi)接沖(chong)刷反應釜(fu)壁(bi)面(mian)(mian)，形成一個沖(chong)擊射流(liu)，沖(chong)擊射流(liu)的(de)(de)對(dui)流(liu)換 熱系數高(gao)，同時此處煙氣(qi)溫(wen)(wen)度(du)也較高(gao)，因此導致此處的(de)(de)壁(bi)面(mian)(mian)溫(wen)(wen)度(du)高(gao)。

三、反應釜改進方案

l、反應釜改進方案

根據CFD模(mo)擬計(ji)算結果，道(dao)(dao)擋火墻影(ying)響燃(ran)(ran)燒(shao)，因此改進方案中將道(dao)(dao)擋火墻拆(chai)除，增大燃(ran)(ran)燒(shao)室空問，使(shi)燃(ran)(ran)料(liao)充(chong)分(fen)燃(ran)(ran)燒(shao)后再(zai)經過第二(er)道(dao)(dao) 擋火墻進入爐膛與反應釜換熱。原燃(ran)(ran)燒(shao)器結構也不夠(gou)合(he)理。為(wei)(wei)提高(gao)燃(ran)(ran)燒(shao)器調(diao)節范圍，將燃(ran)(ran)料(liao)分(fen)為(wei)(wei)一(yi)次(ci)(ci)(ci)煤(mei)(mei)氣(qi)和(he)二(er)次(ci)(ci)(ci)煤(mei)(mei)氣(qi)。低(di)負(fu)荷時(shi)(shi)只打(da)開(kai)一(yi)次(ci)(ci)(ci)煤(mei)(mei)氣(qi)，使(shi)煤(mei)(mei)氣(qi)在低(di)負(fu)荷時(shi)(shi)也有足夠(gou)的(de)(de)噴射速度，保證與空氣(qi)的(de)(de)混合(he)，高(gao)負(fu)荷時(shi)(shi)再(zai)打(da)開(kai)二(er)次(ci)(ci)(ci)燃(ran)(ran)料(liao)。空氣(qi)分(fen)為(wei)(wei)中心風、一(yi)次(ci)(ci)(ci)風、二(er)次(ci)(ci)(ci)風三股與燃(ran)(ran)料(liao)混臺，增大了煤(mei)(mei)氣(qi)和(he)空氣(qi)的(de)(de)接(jie)觸面(mian)積，強化(hua)混合(he)。同時(shi)(shi)燃(ran)(ran)燒(shao)器加裝調(diao)節風門，隨(sui)著煤(mei)(mei)氣(qi)流量變化(hua)調(diao)節供風量，保證良好(hao)的(de)(de)風燃(ran)(ran)比。

2、改進方案的模擬

為進行直接(jie)對比，對改(gai)進方案進行模(mo)擬(ni)時采用(yong)與改(gai)造前相(xiang)同(tong)的邊(bian)界 條(tiao)件。改(gai)進后(hou)中(zhong)心(xin)截面的溫度分(fen)布(bu)，可見燃(ran)燒器改(gai)進后(hou)火焰縮短性增 強。相(xiang)對火焰峰(feng)值溫度由1860K增加(jia)到(dao)2O5OK，說明燃(ran)燒狀(zhuang)況得到(dao)明顯(xian)改(gai)善(shan)。去掉一道擋(dang)火墻后(hou)，增大了(le)燃(ran)燒空(kong)間，煤氣與空(kong)氣得以充分(fen)混合并燃(ran) 燒，煤氣在擋(dang)火墻前已(yi)經(jing)燃(ran)燒完全(quan)。

四、結論

通過CFD方(fang)(fang)法(fa)對(dui)反(fan)(fan)應(ying)(ying)釜(fu)的燃燒和傳熱(re)情(qing)況進行了(le)模(mo)擬分(fen)析，結果顯示反(fan)(fan)應(ying)(ying)釜(fu)壁面在燃燒室出口(kou)處存在一(yi)(yi)個局(ju)(ju)部(bu)高溫區，與變形(xing)部(bu)位正好(hao)一(yi)(yi) 致，說(shuo)明反(fan)(fan)應(ying)(ying)釜(fu)變形(xing)主(zhu)要是(shi)由于(yu)局(ju)(ju)部(bu)很溫引起的。采(cai)用改善燃燒器結構， 拆(chai)除一(yi)(yi)道擋火(huo)(huo)墻，并在反(fan)(fan)應(ying)(ying)釜(fu)變形(xing)部(bu)位加上一(yi)(yi)層隔熱(re)耐火(huo)(huo)材料的方(fang)(fang)法(fa)對(dui)反(fan)(fan)應(ying)(ying)釜(fu)進行了(le)改造，CFD和實際運行結果均證明該改造方(fang)(fang)案是(shi)成(cheng)功的。 CFD方(fang)(fang)法(fa)成(cheng)本低、周期短，并且可以得(de)到一(yi)(yi)些現場無法(fa)得(de)到的數據，在工(gong)業爐燃燒與傳熱(re)分(fen)析領域有(you)很好(hao)的應(ying)(ying)用效果。