超临界水氧化反应器内废液轨迹模拟分析.pdf

CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY蒸发壁式反应器作为超临界水氧化系统的核心设备，反应区及反应器出口温度是反应器设计的关键，不但直接影响系统的安全性，也对有机废液的降解起决定性作用。喷嘴作为反应器的重要组成部件，它不但提供各种反应物料进入反应器的通道，其结构形式更是直接影响有机废液进入反应器后的运动轨迹。由于反应器的超临界工作环境，以及设备结构本身的限制，无法通过可视化的实验或其他测量手段获得废液在反应器内的运动情况。因此，数值模拟方法成为追踪燃料在反应器内部运动轨迹的重要手段。本文采用 Fluent 软件进行模拟计算。1离散相模型概述Fluent 中有两种处理多相流的数值计算方法：欧拉-欧拉方程、欧拉-拉格朗日方程。欧拉-拉格朗日离散相模型遵循欧拉-拉格朗日方程1。流体相被处理为连续相，直接求解时均纳维-斯托克斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子、气泡或者颗粒的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。该模型的一个基本假设是，作为离散相的第二相的体积比率应很低，一般要求小于 10%12%。即便如此，较大的质量加载率仍能满足。在超临界水氧化反应过程中，燃料和空气通过喷嘴进入反应器发生超临界水氧化反应。喷嘴采用双通道同轴直流结构形式：环隙通道喷入液体燃料，中心通道喷入空气。空气支路不仅为反应提供氧化剂，也提供将燃料破碎成细小液滴的动力，加速燃烧过程。液体燃料的燃烧，实际上是液体表面汽化形成的燃料蒸汽的燃烧，蒸发汽化过程决定着整个液体燃料的燃烧过程。本文采用 Fluent 软件的离散相模型，将有机废液看做以一定的初始条件射入反应器内的一组液滴，追踪这些液滴在反应器内流场作用下的运动轨迹。2热工模拟模型2.1几何模型本计算基于某中试装置反应器尺寸建模（见图1）。有机废液和空气通过喷嘴进入反应器内发生超1.一重集团大连工程技术有限公司高级工程师，辽宁大连116600超临界水氧化反应器内废液轨迹模拟分析李风风1，王四芳1摘要：采用有限元模拟方法，分析计算有机废液进入超临界水氧化反应器后的运动轨迹，分析液滴初始入射直径及初始入射角对运动轨迹的影响。关键词：超临界水氧化；有机废液；离散相模型；运动轨迹中图分类号：X703文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0004-04Simulation Analysis of Track of Waste Liquid in Supercritical Water Oxidation ReactorLi Fengfeng,Wang SifangAbstract:This paper calculates and analyzes the the motion track of the organic waste liquid after entering the supercirticalwater oxidation reactor by using finite element simulation method,and analyzes the influence of the initial incidence diameterand initial incidence angle of the droplet on the motion track.Key words:Supercritical water oxidation；organic waste liquid；discrete phase model；motion track10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.004112023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 2模型网格表 125 益、23 MPa 下稳态运行入口边界条件（l/s）临界水氧化反应。喷嘴采用同轴直流结构，空气由中心通道进入，废液由环隙进入。冷却水从反应器与内衬管之间的环隙，经多孔内衬管渗入反应器内腔，在内衬管内壁面形成水膜，避免内衬管被高温烧蚀。同时，冷却水的冷却作用还可在反应器出口区域形成亚临界区域，使超临界反应析出的无机盐类重新溶于水后排出反应器，避免反应器被腐蚀。为简化计算，本文采用轴对称模型，笔者做如下假设：（1）计算中的燃料是水和有机物的混合物，在DPM 模型中，水必须处理为离散相，而间壁水区域的水又是连续相，会造成模型冲突。因此，计算模型只能包含内腔区域，不能考虑多孔区域与间壁区域。（2）废液经高压泵加压，由喷嘴打入反应器内，计算时不考虑废液在喷嘴内部的行程，直接在喷嘴环隙出口进入反应器内。（3）本计算重点追踪燃料进入反应器后的运动轨迹，所有壁面均假设为绝热壁面。2.2网格划分笔者对模型划分四边形结构化网格，提高计算效率，在重点关注区域（喷嘴、火焰喷射区域及反应器出口）进行网格细化，最终得到网格数量为 8万（见图 2）。2.3边界条件入口边界条件的数据来源于中试装置试验数据，选取系统达到超临界工况后稳定运行的时间段，提取该时间段的流量作为入口边界条件，进行模拟计算（见表 1）。2.4物性数据在正常运行工况下，反应器内压力为 23 MPa，计算中涉及到的组分有正庚烷 C7H16，甲醇 CH4O，氧气 O2，氮气 N2，水 H2O，二氧化碳 CO2，每个组分包含的物性有密度、比热，粘度，导热系数，这些物性都随温度变化。所有组分的物性数据取自 NIST（美国国家标准与技术研究院）数据库。由于物性数据是随温度变化的多个数据点，计算中将数据点采用线性拟合的方式输入到 fluent 软件中。混合物的物性通过质量加权平均得到。3计算结果本文计算涉及6 个案例（见表 2）。算例 14研究入射角为 0毅，液滴垂直从喷嘴出口入射时，液滴直径对轨迹的影响；算例 56 研究液滴直径为 0.1 mm 时，初始入射角对液滴轨迹的影响。3.1入射液滴直径对轨迹的影响本节计算在入射角相同时，液滴直径对液滴轨迹的影响规律，入射液体初始参数如下：直径覫0.01/覫0.05/覫0.1/覫0.2 mm入射角度0毅速度X=0.2144，Y=0（由试验数据计算）m/s温度300 K总流量0.008 2（由试验数据计算）kg/s由液滴粒径变化云图可知，喷嘴出口中心区域图 1反应器二维结构图柴油流量水的流量冷却水流量空气流量0.050.440.81.4表 2计算案例汇总算例 2入射粒子直径 覫0.05 mm算例 3入射粒子直径 覫0.1 mm算例 4入射粒子直径 覫0.2 mm算例 5入射角 0毅前提：入射颗粒直径 覫0.1mm。研究：入射角对液滴轨迹影响。算例 6入射角 60毅算例 1入射粒子直径 覫0.01 mm前提：垂直入射角为 0毅。研究：入射粒子直径对液滴轨迹影响。算例直径和角度条件1外壁；2冷却水入口；3内衬管；4废液与空气入口12CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY表 3入射液体初始参数（c）液滴直径 覫0.1 mm（d）液滴直径 覫0.2 mm图 4液滴停留时间云图（c）液滴直径 覫0.1 mm（d）液滴直径 覫0.2 mm图 3液滴粒径变化云图存在高速空气射流，液滴进入反应器后，在气相流场作用下逐渐向反应器中心靠拢，然后向反应器出口方向运动（见图 3）。运动过程中，液滴在反应器内高温环境下逐渐蒸发，粒径逐渐减小直至消失。随着液滴直径增大，蒸发时间增大，液滴在反应器内的运动轨迹变长。随着液滴直径增大，其在反应器内停留时间明显增长。如液滴直径 覫0.01 mm 时，停留时间为0.133 s；液滴直径 覫0.2 mm 时，停留时间变为 1.25s。在液滴直径达到 覫0.2 mm 时，部分粒子尚未完全蒸发就被气相流场卷入回流区域，触碰到反应器壁面。液体燃料触壁后，就会在间壁水作用下沿内衬管壁面流出，导致燃料不能完全燃烧，影响有机废液的降解效果（见图 4）。3.2入射角对轨迹的影响本节计算在液滴粒径相同时，初始入射角对液滴轨迹的影响规律，入射角分别为 0毅和 60毅。由于入射角为 60毅时，需要定义入射第一点与最后一点的参数，所以选择 Group 的入射类型，入射粒子包设为 10 个2（见表 3）。（a）液滴直径 覫0.01 mm（b）液滴直径 覫0.05 mm（a）液滴直径 覫0.01 mm（b）液滴直径 覫0.05 mm变量入射角 0毅入射角 60毅入射点第一点最后一点第一点最后一点X位置（mm）100100100100Y 位置（mm）6666X速度（m/s）0.214 400.214 40.214 4Y 速度（m/s）0000.3713直径（mm）温度（K）300300300300总流量（kg/s）0.000 820.000 820.000 820.000 82覫0.1覫0.1覫0.1覫0.1132023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 6液滴停留时间云图图 7喷嘴出口液滴轨迹局部放大图（a）入射角 0毅（b）入射角 60毅图 5液滴粒径变化云图入射角为 0毅和 60毅时，液滴直径变化规律一致（见图 5），停留时间也几乎一致（见图 6）。液滴运动过程中不断蒸发并与空气发生氧化反应，质量分数不断减小，直至完全燃烧。但是改变入射角并没有对液滴整体运动轨迹产生影响。液滴按照预定角度进入反应器后，在反应器内部流场驱动下，向反应器中心区域靠拢，同时流向出口方向（见图 7）。可见，改变入射角只会在出口很小范围内对液滴轨迹产生影响。4结语蒸发壁式反应器是超临界水氧化反应的承载体，有机废液在其内部高温、高压环境下发生均相氧化反应，达到降解目的。掌握废液在反应器内的运动规律，可辅助判断内部温度场及流场分布，及时调整工艺参数，提高废液降解率。针对本中试装置的结构特性，经过计算模拟，可得出以下结论：（1）废液以不同入射角进入反应器后，不会向反应器壁面扩散，而是在中心射流空气作用下向反应器中心靠拢，并沿着反应器轴线向出口方向运动。所以，废液入射角对液滴轨迹影响较小。（2）喷嘴雾化性能决定雾化液滴粒径。如果液滴粒径较大，蒸发较慢，就会被流场卷入回流区域触碰到反应器壁面，在间壁水作用下沿顺壁流出反应器，导致燃料不能完全燃烧，影响出水水质。参考文献1 汪新智.双通道气流式雾化喷嘴模拟计算与优化 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.2 李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通 CFD 工程仿真与案例实战 M.北京:人民邮电出版社,2011:525-536.收稿日期：2023-02-03（a）入射角 0毅（b）入射角 60毅（a）入射角 0毅（b）入射角 60毅6结语本文对感应钎焊在堆容器铠装线密封接头进行研究，通过比较工艺参数，金相检测、力学拉伸检验、气体泄漏检验钎焊接头，结果表明，试验钎焊工艺参数能够满足相关技术要求。参考文献1 杜祥琬,叶奇蓁,徐,等.核能技术方向研究及发展路线图 J.中国工程科学,2018,20(03):17-24.2 杨骄,龙伟民,秦建,等.药芯钎料研究进展与绿色钎焊应用 J.电焊机,2022,52(09):1-9.3 罗蒙丽.硬质合金钎焊技术的现状与发展 J.硬质合金,2015,32(02):108-118.4 沈芳.高频感应钎焊优化技术研究 J.现代工业经济和信息化,2020,10(09):18-19.5 赵越.钎焊技术及应用 M.北京:化学工业出版社,2004:4.收稿日期：2023-02-06（上接第 42 页）14