喷淋式饱和器的三维参数化设计及其内部流场模拟(ljdh)

喷淋式饱和器的三维参数化设计及其内部流场模拟

穆传冰 王庆丰 章平 李顺弟

（北京首钢国际工程技术有限公司 焦化设计室 北京 100043）

摘 要：介绍了利用三维参数化机械设计软件对喷淋式饱和器进行了参数化建模设计，与传统的二维设计相比做到了精确表达尺寸和,直观的反映其结构特点，利用关键参数控制模型尺寸，可以依据化工工艺专业的需要进行快速精准设计,并基于该三维模型的设计成果利用流体分析软件对喷淋式饱和器的内部流场进行了数值模拟并对其结果进行了讨论。 关键词：喷淋式饱和器；三维参数化；设计；有限元；数值模拟

Three-dimensional Parametric Design and internal flow field

numerical stimulation of Spray Saturator

Mu-Chuanbing Wang-Qingfeng Zhang-Ping Li-Shundi

(Coking design division, Beijing Shougang International Engineering Technology Co., Ltd.

Beijing 100043, China)

Abstract: Introduced parametric modeling of Spray Saturator by three-dimensional design software, precision and intuitionist expressed dimension, and structure-characteristic compare with traditional two-dimensional drawing, dispensed with complex calculation by controlling model dimension used key-parameter, precision and rapid design according to the requirement of technique and engineering, carrying on numerical stimulation by using hydrodynamic analysis software according to this three-dimensional parametric model. Key words: Spray Saturator; Three-dimensional Parametric; Design; FEM; Numerical stimulation

1 概述

喷淋式饱和器是焦炉煤气净化过程中半直接法生产硫酸铵的主要设备，自上世纪90年代由法国引进后，得到了广泛的应用，其材质一般选用316L超低碳不锈钢焊接制造，对于母液循环喷洒部分一般采用904L超级不锈钢制作,具有设备使用时间长，煤气系统阻力小，结晶颗粒大，硫酸铵质量好，工艺流程短，易操作等诸多优点[1]。但是由于其结构较为复杂，采用传统二维图纸对其结构的表达不够清晰和直观。在设备制造过程中，其复杂零件尺寸控制的问题也一直困扰着设备制造单位。

随着计算机技术的发展，三维参数化机械设计软件逐渐得到了广泛的应用，利用简单的几何约束关系和关键参数驱动就能完成设备的三维设计，并快速给出工程图，省去了传统二维制图复杂的投影关系的转换和尺寸计算，特别适用于喷淋式饱和器这种形状特殊复杂的结构设计。本文以某煤气净化回收工程设计的喷淋式饱和器为例进行三维参数化设计，并对其内部流场进行了数值模拟和与探讨。

2 喷淋式饱和器的结构

喷淋式饱和器一般分为上段和下段，上段为吸收室，下段为结晶室。两室间采用锥形封头隔开，吸收室又分为前室、环形区域和后室三部分，结晶室由外筒体和降液管组成，通过降液管与吸收室相连。在吸收室内置除酸器，除酸器为旋风分离器结构，由内外套筒两部分组成，外套筒开切线方向的方孔与吸收室

的后室相连通[1]。喷淋式饱和器的结构如图1所示：

(a）主视图

(b）左视图

(c）俯视图

图1 喷淋式饱和器的结构

由图1可以看出，使用二维工程图设计的喷淋式饱和器并不能清晰的表达其结构，二维工程图一般采用局部剖切视图等方法来分视图表达内部结构，但是往往效果不明显，过多的剖切视图会增加制造者按图施工的难度，特别是结晶室的后室与除酸器的外筒的连接部分更加难以清晰表达，对于设计单位和制造厂家而言都造成了困难，而且不能直观的表达出设备各部分准确位置关系。

3 喷淋式饱和器的三维参数化设计

3.1 设计参数的确定

三维参数化设计软件进行喷淋式饱和器的设计，首先需要找出该设备的主要几何参数和设备各部分的几何约束关系，由于设备的复杂性导致参数过多，表1中只列出设备外形尺寸的关键参数：

表1 喷淋式饱和器外形尺寸关键参数

名称 煤气出口 结晶室 除酸器外筒体 除酸器内筒体 降液管 锥体

外径D 1220 4616 3116 1220 666 4616/666

壁厚t 8 8 8 8 8 8

长度L 250 2785 5335 3875 3875 1145

利用上述关键参数再结合各零部件之间几何约束关系和定位尺寸，使用拉伸和旋转等常规建模方式将设备的这几部分模型率先建立，饱和器结构最复杂的吸收室的后室与除酸器的外筒的连接部分是不规则曲面体，这部分的建模采用常规建模和三维曲面切割实体的方法得到，保证了后室的曲面与除酸器外筒体的相切，真实表达了该部分的结构。设备上的接管等零部件可以通过各自的几何参数和定位尺寸较为简单的生成，在建模过程中还要充分考虑各参数之间的关联关系，把握好参数间的关联才能真正做到参数化设计。

3.2 三维参数化设计的结果

经过上述步骤，可以得到如图2所示的三维参数化模型：

图2 喷淋式饱和器三维参数化模型

3.3 有关结果的讨论

从图2可以看出，利用三维设计软件的装配透视功能，设备内部的复杂结构可以得到清晰的表达，该模型可以通过参数的修改快速得到不同尺寸的模型结果，以满足化工工艺专业根据不同规模工程的设计选型的需求。和传统二维设计相比，设计精度更容易得到保证，基于该模型的工程图的尺寸和标注也可跟随参数的变化做相应的调整，省去了繁琐的尺寸修改和标注的过程，因此设计效率也得到了很大的提高。在设备制造过程中，可以将三维参数化模型中的各零部件分别输出快速给出工程图尺寸，作为设备零部件的下料尺寸，保证了制造精度。在设备零部件安装过程中，该模型可以进行爆炸分解，可以起到安装指导的作用。需要指出的是，该三维参数化模型未考虑零部件焊接尺寸的影响，为此在设计时留有尺寸裕量。在实际制造过程中需要制造单位依据相应的焊接标准规范等对焊接坡口尺寸进行设计和加工。

4 喷淋式饱和器内部流场的数值模拟

4.1 工艺参数的确定

根据工艺计算结果和实际生产条件，确定了工艺参数见表2所示：

表2 喷淋式饱和器的工艺参数

名称

煤气入口速度 m/s 煤气出口压强 Pa 参考压强 Pa 煤气温度 ℃

数值 15 2x101x10

4 5

70

焦炉煤气各组份的含量见表3所示：

表3 焦炉煤气的组成

名称 体积百分含量 %

H2 60

CH4 30

其它（CO、CO2、O2等）

10

4.2 内部流场模型的建立

为了准确进行内部流场数值模拟，首先要了解煤气在设备内的流动过程，煤气在的煤气进过预热后进入喷淋式饱和器的吸收段的前室，分成两股沿饱和器水平方向进入吸收段的环形室做环形运动，然后汇合后进入吸收段的后室，再以切线方向进入内置除酸器，然后通过设备中心出口管离开饱和器[2.3]。

由于饱和器内部有复杂的相交曲面结构，传统的专业有限元软件的建模功能难以胜任，为保证建模效果，本次模拟将利用三维设计软件的设计结果得到流场模型，导入有限元软件进行相应调整，进行划分网格，定义边界条件，得到的流场模型结果如图3所示：

图3 喷淋式饱和器内部流场有限元模型

需要指出的是，本模型只包含喷淋式饱和器的吸收段，主要模拟煤气在吸收段的流动情况，并做了以下几个简化和假设：

1.模型的下部边界是以喷淋式饱和器的水封高度为依据确定； 2.除煤气出入口以外，所有界面均为刚性光滑表面； 3.不考虑喷洒液体对煤气流动的影响； 4.省略了喷洒管、接管等附属结构； 5.焦炉煤气组分仅为H2和CH4组分；

模拟采用稳态模式（既不考虑时间对结果的影响），煤气入口采用速度初始条件，煤气出口采用平均压强初始条件，这样的设置更容易得到收敛的结果[4.5]。

4.3 数值模拟的计算结果

经过有限元软件计算得到了煤气在设备内的流体轨迹线、速度、压强等结果。为了直观的显示饱和器内部流畅的结果，选取了三个截面，分别是YZ截面，对应于X方向；XZ截面，对应于Y方向；XY平面在环形区域的平行截面，对应于Z方向，分别赋予流体轨迹、线速度、压强等结果，如图4~图6所示

1．流体轨迹线

X向轨迹线

Y向轨迹线

Z向轨迹线

图4 流体在喷淋式饱和器内部的轨迹线

由流体轨迹线的三向视图可以得到焦炉煤气在喷淋式饱和器吸收段的流动情况，首先在环形室分成两股流，在后室汇合后以切线方向进入内置除酸器，沿外筒壁面向下做旋转运动，最后进入内置除酸器内筒以螺旋流动的方式从顶部出口流出；

2．速度分布

X向截面速度分布

Y向截面速度分布

Z向截面速度分布

图5 流体在喷淋式饱和器截面的速度分布

由速度分布图X、Y向视图可知，流体在环形室中的流动速度较慢，这样更利于煤气与循环喷洒液的充分接触，以利于氨的吸收，在煤气进入除酸器后流速明显加快，最大流速出现在除酸器内筒入口处，而在除酸器外筒底部中心部位流速很慢甚至出现速度为零的区域，在从Z向图中可以看出煤气在环形室的流动并不呈现对称分布的形态；

3．压强分布

X向截面压强分布

Y向截面压强分布

Z向截面压强分布

图6 流体在喷淋式饱和器截面的压强分布

由压强分布图可以看知，在煤气入口、环形室、除酸器外筒体近壁面处压强较大，环形室部分压强分布较为均匀。除酸器内部压强沿径向梯度分布，外筒边缘压强最大，最小压强出现在除酸器内筒进口部位；

5 结论

喷淋式饱和器自上世纪90年代从国外引进以来，已经经历了近20年发展，其设计和制造经验已经相当丰富，但是利用三维参数化设计手段精准设计和焦炉煤气在其内部流动状态的研究模拟还存在着不足。

随着计算机技术的发展，三维参数化设计和计算流体力学等设计手段和研究方法不断的进步可以推动对其研究的不断深入。通过三维参数化设计手段的运用可以更直观的了解喷淋式饱和器的结构特点，可以通过改变关键参数来快速得到三维模型结果，了解各个参数的变化对模型外形尺寸的影响规律；利用流体计算软件可以得到煤气在设备内部的流动状态，掌握煤气的流动规律，为设备结构的改进提供理论依据。

由于篇幅所限，本文的喷淋式饱和器内部流场的模拟只是对于吸收段进行的，得到了初步的计算结果并进行了讨论。但对于并未考虑喷洒液体对气体流动的影响，对计算结果还缺乏深入探讨，今后，还将在其基础之上不断改进，如采用两相流计算模型，优化除酸器结构等，在模型应用的普遍性、快捷性方面取得更好的结果。

参 考 文 献

[1] 何建平，李辉. 炼焦化学产品回收技术[M]. 冶金工业出版社, 2006：68-69

[2] 丁玲. 喷淋式饱和器法煤气脱氨生产中问题分析[J]. 冶金动力, 2009, 134(4): 37-42

[3] 杨永利，张管，陈涛. 煤气中氨脱除喷淋式饱和器的改进[J]. 煤化工, 2009, 144(5): 49-52 [4] 张亚军. CFD技术在化工机械设计中的应用[J]. 贵州化工, 2006, 31(3): 47-50 [5] 封跃鹏，姜大志. 旋风分离器在结构上的改进[J]. 燃料与化工, 2009, 40(2): 9-11

作者简介：穆传冰（1982—）男，辽宁省大连市人，工程师，硕士研究生，目前从事化工设备设计工作。