噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計及其內(nèi)部流場模擬(ljdh)

1、噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計及其內(nèi)部流場模擬穆傳冰王慶豐章平李順弟（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司焦化設(shè)計室北京100043）摘要：介紹了利用三維參數(shù)化機械設(shè)計軟件對噴淋式飽和器進行了參數(shù)化建模設(shè)計，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比做到了精確表達尺寸和，直觀的反映其結(jié)構(gòu)特點，利用關(guān)鍵參數(shù)控制模型尺寸，可以依據(jù)化工工藝專業(yè)的需要進行快速精準設(shè)計，并基于該三維模型的設(shè)計成果利用流體分析軟件對噴淋式飽和器的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬并對其結(jié)果進行了討論。關(guān)鍵詞：噴淋式飽和器；三維參數(shù)化；設(shè)計；有限元；數(shù)值模擬Three-dimensionalParametricDesignandinternalflowfieldnu

2、mericalstimulationofSpraySaturatorMu-ChuanbingWang-QingfengZhang-PingLi-Shundi(Cokingdesigndivision,BeijingShougangInternationalEngineeringTechnologyCo.,Ltd.Beijing100043,China)Abstract:IntroducedparametricmodelingofSpraySaturatorbythree-dimensionaldesignsoftware,precisionandintuitionistexpresseddim

3、ension,andstructure-characteristiccomparewithtraditionaltwo-dimensionaldrawing,dispensedwithcomplexcalculationbycontrollingmodeldimensionusedkey-parameter,precisionandrapiddesignaccordingtotherequirementoftechniqueandengineering,carryingonnumericalstimulationbyusinghydrodynamicanalysissoftwareaccord

4、ingtothisthree-dimensionalparametricmodel.Keywords:SpraySaturator;Three-dimensionalParametric;Design;FEM;Numericalstimulation1概述噴淋式飽和器是焦爐煤氣凈化過程中半直接法生產(chǎn)硫酸鏤的主要設(shè)備，自上世紀90年代由法國引進后，得到了廣泛的應(yīng)用，其材質(zhì)一般選用316L超低碳不銹鋼焊接制造，對于母液循環(huán)噴灑部分一般采用904L超級不銹鋼制作，具有設(shè)備使用時間長，煤氣系統(tǒng)阻力小，結(jié)晶顆粒大，硫酸鏤質(zhì)量好，工藝流程短，易操作等諸多優(yōu)點1。但是由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)二維圖紙對其

5、結(jié)構(gòu)的表達不夠清晰和直觀。在設(shè)備制造過程中，其復(fù)雜零件尺寸控制的問題也一直困擾著設(shè)備制造單位。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維參數(shù)化機械設(shè)計軟件逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，利用簡單的幾何約束關(guān)系和關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)動就能完成設(shè)備的三維設(shè)計，并快速給出工程圖，省去了傳統(tǒng)二維制圖復(fù)雜的投影關(guān)系的轉(zhuǎn)換和尺寸計算，特別適用于噴淋式飽和器這種形狀特殊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文以某煤氣凈化回收工程設(shè)計的噴淋式飽和器為例進行三維參數(shù)化設(shè)計，并對其內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬和與探討。2噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)噴淋式飽和器一般分為上段和下段，上段為吸收室，下段為結(jié)晶室。兩室間采用錐形封頭隔開，吸收室又分為前室、環(huán)形區(qū)域和后室三部分，結(jié)晶室由外筒體

6、和降液管組成，通過降液管與吸收室相連。在吸收室內(nèi)置除酸器，除酸器為旋風分離器結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外套筒兩部分組成，外套筒開切線方向的方孔與吸收室的后室相連通1。噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)如圖1所示:(a)主視圖(b)左視圖圖1噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)(c)俯視圖由圖1可以看出，使用二維工程圖設(shè)計的噴淋式飽和器并不能清晰的表達其結(jié)構(gòu)，二維工程圖一般采用局部剖切視圖等方法來分視圖表達內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是往往效果不明顯，過多的剖切視圖會增加制造者按圖施工的難度，特別是結(jié)晶室的后室與除酸器的外筒的連接部分更加難以清晰表達，對于設(shè)計單位和制造廠家而言都造成了困難，而且不能直觀的表達出設(shè)備各部分準確位置關(guān)系。3噴淋式飽和器的三維參數(shù)化

7、設(shè)計3.1 設(shè)計參數(shù)的確定三維參數(shù)化設(shè)計軟件進行噴淋式飽和器的設(shè)計，首先需要找出該設(shè)備的主要幾何參數(shù)和設(shè)備各部分的幾何約束關(guān)系，由于設(shè)備的復(fù)雜性導(dǎo)致參數(shù)過多，表1中只列出設(shè)備外形尺寸的關(guān)鍵參數(shù)：表1噴淋式飽和器外形尺寸關(guān)鍵參數(shù)名稱外徑D壁厚t長度L煤氣出口1220結(jié)晶室4616除酸器外筒體3116除酸器內(nèi)筒體1220降液管666錐體4616/66682508278585335838758387581145利用上述關(guān)鍵參數(shù)再結(jié)合各零部件之間幾何約束關(guān)系和定位尺寸，使用拉伸和旋轉(zhuǎn)等常規(guī)建模方式將設(shè)備的這幾部分模型率先建立，飽和器結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的吸收室的后室與除酸器的外筒的連接部分是不規(guī)則曲面體，這部分

8、的建模采用常規(guī)建模和三維曲面切割實體的方法得到，保證了后室的曲面與除酸器外筒體的相切，真實表達了該部分的結(jié)構(gòu)。設(shè)備上的接管等零部件可以通過各自的幾何參數(shù)和定位尺寸較為簡單的生成，在建模過程中還要充分考慮各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，把握好參數(shù)間的關(guān)聯(lián)才能真正做到參數(shù)化設(shè)計。3.2 三維參數(shù)化設(shè)計的結(jié)果經(jīng)過上述步驟，可以得到如圖2所示的三維參數(shù)化模型:圖2噴淋式飽和器三維參數(shù)化模型3.3 有關(guān)結(jié)果的討論從圖2可以看出，利用三維設(shè)計軟件的裝配透視功能，設(shè)備內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以得到清晰的表達，該模型可以通過參數(shù)的修改快速得到不同尺寸的模型結(jié)果，以滿足化工工藝專業(yè)根據(jù)不同規(guī)模工程的設(shè)計選型的需求。和傳統(tǒng)二維設(shè)計

9、相比，設(shè)計精度更容易得到保證，基于該模型的工程圖的尺寸和標注也可跟隨參數(shù)的變化做相應(yīng)的調(diào)整，省去了繁瑣的尺寸修改和標注的過程，因此設(shè)計效率也得到了很大的提高。在設(shè)備制造過程中，可以將三維參數(shù)化模型中的各零部件分別輸出快速給出工程圖尺寸，作為設(shè)備零部件的下料尺寸，保證了制造精度。在設(shè)備零部件安裝過程中，該模型可以進行爆炸分解，可以起到安裝指導(dǎo)的作用。需要指出的是，該三維參數(shù)化模型未考慮零部件焊接尺寸的影響，為此在設(shè)計時留有尺寸裕量。在實際制造過程中需要制造單位依據(jù)相應(yīng)的焊接標準規(guī)范等對焊接坡口尺寸進行設(shè)計和加工。4噴淋式飽和器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬工藝參數(shù)的確定根據(jù)工藝計算結(jié)果和實際生產(chǎn)條件，確定了

10、工藝參數(shù)見表2所示:表2噴淋式飽和器的工藝參數(shù)煤氣入口速度m/s15煤氣出口壓強Pa2x104參考壓強Pa1x105煤氣溫度C70焦爐煤氣各組份的含量見表3所示:表3焦爐煤氣的組成HCHCOCO、C2體積百分含量%603010內(nèi)部流場模型的建立為了準確進行內(nèi)部流場數(shù)值模擬，首先要了解煤氣在設(shè)備內(nèi)的流動過程，煤氣在的煤氣進過預(yù)熱后進入噴淋式飽和器的吸收段的前室，分成兩股沿飽和器水平方向進入吸收段的環(huán)形室做環(huán)形運動，然后匯合后進入吸收段的后室，再以切線方向進入內(nèi)置除酸器，然后通過設(shè)備中心出口管離開飽和器2.3由于飽和器內(nèi)部有復(fù)雜的相交曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的專業(yè)有限元軟件的建模功能難以勝任，為保證建模效果

11、，本次模擬將利用三維設(shè)計軟件的設(shè)計結(jié)果得到流場模型，導(dǎo)入有限元軟件進行相應(yīng)調(diào)整，進行劃分網(wǎng)格，定義邊界條件，得到白流場模型結(jié)果如圖3所示：圖3噴淋式飽和器內(nèi)部流場有限元模型需要指出的是，本模型只包含噴淋式飽和器的吸收段，主要模擬煤氣在吸收段的流動情況，并做了以下幾個簡化和假設(shè)：.模型的下部邊界是以噴淋式飽和器的水封高度為依據(jù)確定；.除煤氣出入口以外，所有界面均為剛性光滑表面；.不考慮噴灑液體對煤氣流動的影響；.省略了噴灑管、接管等附屬結(jié)構(gòu)；.焦爐煤氣組分僅為H2和CH組分；模擬采用穩(wěn)態(tài)模式（既不考慮時間對結(jié)果的影響），煤氣入口采用速度初始條件，煤氣出口采用平均壓強初始條件，這樣的設(shè)置更容易得到

12、收斂的結(jié)果4.5O數(shù)值模擬的計算結(jié)果經(jīng)過有限元軟件計算得到了煤氣在設(shè)備內(nèi)的流體軌跡線、速度、壓強等結(jié)果。為了直觀的顯示飽和器內(nèi)部流暢的結(jié)果，選取了三個截面，分別是YZ截面，X應(yīng)于X方向；XZ截面，X應(yīng)于Y方向；XY平面在環(huán)形區(qū)域的平行截面，對應(yīng)于Z方向，分別賦予流體軌跡、線速度、壓強等結(jié)果，如圖4圖6所示1.流體軌跡線X向軌跡線丫向軌跡線z向軌跡線圖4流體在噴淋式飽和器內(nèi)部的軌跡線由流體軌跡線的三向視圖可以得到焦爐煤氣在噴淋式飽和器吸收段的流動情況，首先在環(huán)形室分成兩股流，在后室匯合后以切線方向進入內(nèi)置除酸器，沿外筒壁面向下做旋轉(zhuǎn)運動，最后進入內(nèi)置除酸器內(nèi)筒以螺旋流動的方式從頂部出口流出；2.

13、速度分布X向截面速度分布才制片14J的為giMwW1我吐蛇QUMZ向截面速度分布Y向截面速度分布圖5流體在噴淋式飽和器截面的速度分布由速度分布圖X、Y向視圖可知，流體在環(huán)形室中的流動速度較慢，這樣更利于煤氣與循環(huán)噴灑液的充分接觸，以利于氨的吸收，在煤氣進入除酸器后流速明顯加快，最大流速出現(xiàn)在除酸器內(nèi)筒入口處，而在除酸器外筒底部中心部位流速很慢甚至出現(xiàn)速度為零的區(qū)域，在從Z向圖中可以看出煤氣在環(huán)形室的流動并不呈現(xiàn)對稱分布的形態(tài)；X向截面壓強分布丫向截面壓強分布Z向截面壓強分布圖6流體在噴淋式飽和器截面的壓強分布由壓強分布圖可以看知，在煤氣入口、環(huán)形室、除酸器外筒體近壁面處壓強較大，環(huán)形室部分壓強

14、分布較為均勻。除酸器內(nèi)部壓強沿徑向梯度分布，外筒邊緣壓強最大，最小壓強出現(xiàn)在除酸器內(nèi)筒進口部位;5結(jié)論噴淋式飽和器自上世紀90年代從國外引進以來，已經(jīng)經(jīng)歷了近20年發(fā)展，其設(shè)計和制造經(jīng)驗已經(jīng)相當豐富，但是利用三維參數(shù)化設(shè)計手段精準設(shè)計和焦爐煤氣在其內(nèi)部流動狀態(tài)的研究模擬還存在著不足。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維參數(shù)化設(shè)計和計算流體力學(xué)等設(shè)計手段和研究方法不斷的進步可以推動對其研究的不斷深入。通過三維參數(shù)化設(shè)計手段的運用可以更直觀的了解噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)特點，可以通過改變關(guān)鍵參數(shù)來快速得到三維模型結(jié)果，了解各個參數(shù)的變化對模型外形尺寸的影響規(guī)律；利用流體計算軟件可以得到煤氣在設(shè)備內(nèi)部的流動狀態(tài)，掌握煤氣的流動規(guī)律，為設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進提供理論依據(jù)。由于篇幅所限，本文的噴淋式飽和器內(nèi)部流場的模擬只是對于吸收段進行的，得到了初步的計算結(jié)果并進行了討論。但對于并未考慮噴灑液體對氣體流動的影響，對計算結(jié)果還缺乏深入探討，今后，還將在其基礎(chǔ)之上不斷改進，如采用兩相流計算模型，優(yōu)化除酸器結(jié)構(gòu)等，在模型應(yīng)用的普遍性、快捷性方面取得更好的結(jié)果。參考文獻1何建平，李輝.煉焦化學(xué)產(chǎn)品回收技術(shù)M.冶金工業(yè)出版社,2006:68-6