吕超^1,2, 孙铭赫¹, 殷宏鑫¹, 刘芳¹
1. 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院, 河北 秦皇岛 066004;
2. 东北石油大学 秦皇岛校区, 河北 秦皇岛 066004
收稿日期：2021-06-07
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51904069); 河北省自然科学基金资助项目(E2019501085)；东北石油大学引导性创新基金资助项目(2018YDQ-09)。
作者简介：吕超(1985-)，男，辽宁黑山人，东北大学秦皇岛分校副教授。

摘要：文丘里热解反应器制备的氧化铈产品存在粒径不均的现象, 需要对文丘里热解反应器进行结构优化, 进一步强化气固混合效果和倒吸效果, 改善粒径分布.利用Fluent19.0软件, 采用欧拉-欧拉多相流以及标准k-ε模型研究了9种不同结构的文丘里反应器内部氯化铈热解过程, 分析了反应器内部气固混合和倒吸效果.结果表明: 引流管长度为35 mm, 气固混合效果最好; 引流管长度45 mm, 倒吸能力最好.喉管长度为150 mm, 气固混合效果最好; 喉管长度为100 mm, 倒吸能力最好.扩张段直径与收缩段直径比为2∶ 2时, 气固混合效果最好, 倒吸能力最好.
关键词：文丘里反应器气固混合倒吸氧化铈数值模拟
Simulation Study on the Effect of Venturi Pyrolysis Reactor Structure on Flow Field
LYU Chao^1,2, SUN Ming-he¹, YIN Hong-xin¹, LIU Fang¹
1. School of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China;
2. Qinhuangdao Campus, Northeast Petroleum University, Qinhuangdao 066004, China
Corresponding author: LYU Chao, E-mail: lvchao@neuq.edu.cn.

Abstract: Due to uneven particle size in cerium oxide products prepared by Venturi pyrolysis reactor, it is necessary to optimize the structure of Venturi pyrolysis reactor to further strengthen the gas-solid mixing effect and the suction effect while improve the particle size distribution. The pyrolysis process of cerium chloride in Venturi reactor with nine different structures was studied by Euler-Euler multiphase flow and standard k-ε model with Fluent19.0 software. The gas-solid mixing and suction effect in Venturi reactor were analyzed. The results showed that the gas-solid mixing effect is best when the length of drainage tube is 35 mm. The best suction capacity is obtained when the length of the drainage tube is 45 mm. The gas-solid mixing effect is the best if the length of the throat tube is 150 mm. The best suction capacity is achieved when the length of the throat tube is 100 mm. When the ratio of diameter of expansion section to diameter of contraction section is 2∶ 2, the gas-solid mixing effect is the best, and the suction capacity is the best.
Key words: Venturi reactorgas solid mixingreverse suctioncerium oxidenumerical simulation
微纳球形氧化铈颗粒广泛应用于生物医学、能源、环境保护等方面^[1-4].目前热解制备氧化铈的反应器多采用管式热解炉^[5], 存在热解反应效率低、氧化铈形貌不可控等缺点^[6].因此, 开发高效制备微纳球形氧化铈颗粒的新型热解反应器具有重要意义.
文丘里反应器结构简单, 广泛应用于化工、冶金行业^[7-8].García等^[9]、Tsirlis等^[10]、刘燕等^[11]进行了文丘里雾化器喷雾特性的实验研究.魏明锐等^[12]进行了燃油喷雾初始破碎及二次雾化机理研究.Khani等^[13]、Musketeer等^[14]、王秋良等^[15]进行了文丘里洗涤器及吸肥器的相关结构优化研究.结果表明: 文丘里反应器能够提高倒吸能力, 加快液相流速, 实现液滴的一次雾化及二次雾化, 强化混合效果.基于这种结构优势, Lv等^[16]研制了一种新型文丘里射流热解反应器, 实现了气固均匀混合, 提高了氯化铈热解反应效率, 热解制备了微纳级球形氧化铈颗粒, 但仍存在颗粒粒径不均等问题.
本文考察了文丘里反应器结构参数对气固混合效果及倒吸效果的影响规律, 为文丘里反应器的设计及优化提供数据支撑.
1 模型建立1.1 几何建模图 1a为文丘里热解反应器设计图, 根据改变喉管长度、引流管长度、反应器扩张段与收缩段直径比建立9种文丘里反应器模型, 探究热解过程中文丘里热解反应器几何结构对气固两相湍流场的影响.具体结构参数见表 1.
图 1(Fig. 1)

图 1 文丘里反应器设计模型Fig.1 Venturi reactor design model (a)—设计图；(b)—网格模型.

表 1(Table 1)

表 1 文丘里反应器几何结构类型Table 1 Geometry types of Venturi reactor ? mm 模型 L1 L2 L3 L4 L5 L6 d1 d2 d3 d4 d5 h 1 20 150 140 100 140 300 20 50 25 10 50 15 2 20 150 140 100 140 300 20 50 25 10 50 25 3 20 150 140 100 140 300 20 50 25 10 50 35 4 20 150 140 100 140 300 20 50 25 10 50 45 5 20 150 140 50 140 300 20 50 25 10 50 25 6 20 150 140 150 140 300 20 50 25 10 50 25 7 20 150 140 200 140 300 20 50 25 10 50 25 8 20 150 140 100 140 300 20 50 25 10 25 25 9 20 150 140 100 140 300 20 50 25 10 75 25

表 1 文丘里反应器几何结构类型 Table 1 Geometry types of Venturi reactor ?

1.2 网格划分对9种文丘里热解反应器都采用三维非结构网格对结构体进行划分, 对喉管结构进行加密处理, 网格数量为37万左右.网格划分形式见图 1b.
1.3 物理模型选用多相流模型中Euler-Euler双流体模型来描述气-固两相流的行为, 对于射流反应器内的湍流流动采用标准k-ε双方程模型.热解模拟涉及多步化学反应, 采用组分输运模型中的ED模型及水蒸发相变模型中的Lee模型, 并开启Energy模型.
1.4 边界条件文丘里热解反应器有两个入口和一个出口, 如图 1a所示.关于边界条件, 燃料入口及物料入口均设定为速度入口, 出口选用自由流动, 壁面设置为绝热条件.计算时间步长为0.001 s, 设置残差为10^-6.
1.5 监测面的选择选择物料入口最右侧截面设置为Z₁监测面, 扩张段最左侧截面设置为Z₁₀监测面, 其余监测面均等分布在两个截面中间.在距离扩张段0.005 m的位置设置监测面Z₁₁, 在扩张段最右端截面设置监测面Z₁₂, 在距离出口处0.015 m的位置设置监测面Z₁₃, 在出口处设置监测面Z₁₄.图 2为监测面的具体分布图.
图 2(Fig. 2)

图 2 监测面的选择Fig.2 Selection of monitoring surface

1.6 化学反应方程式及计算公式涉及的主要化学反应式为

(1)

(2)

(3)

本模拟通过所选监测面中气相所占两相流的体积分数来体现其气含率α. 通过计算监测面气含率的均方差来衡量气固两相混合结果.
气固均混度为

(4)

式中: c_i为第i个监测面气含率; c是所有监测面气含率的平均值.β越小, 气固混合越均匀.
在文丘里热解反应器压强分布中, 物料入口处截面的压强最大, 将此处压强设置为p₁, 其余监测面处的平均压强设置为p₂.
压差为

(5)

通过压差的绝对值大小衡量文丘里反应器的倒吸能力.
2 结果与讨论2.1 模型验证通过对比数值模拟与物理实验出口处生成物的含量, 验证模拟的准确性.表 2为热态模拟的实验与模拟验证, 误差均小于5 %, 证明模拟是准确的.
表 2(Table 2)

表 2 实验与模拟验证Table 2 Experimental and simulation verification 项目 CeCl HCl CeO2 实验值/(g·h-1) 429.6 189.58 297.61 模拟值/(g·h-1) 429.6 187.83 288.29 误差率/% 0.00 0.92 3.13

表 2 实验与模拟验证 Table 2 Experimental and simulation verification

2.2 气固两相流动过程文丘里热解反应器具备一定的倒吸能力, 所以当氯化铈溶液从物料入口通过引流管进入喉管时, 文丘里热解反应器会起到加速氯化铈溶液进入反应器的作用, 并在高温热解环境下瞬间蒸发氯化铈溶液形成氯化铈颗粒.
气相与主要生成物的体积分数分布云图如图 3所示, 气固混合主要发生在喉管下端位置, CO₂与未反应的氯化铈颗粒也主要集中于此, 由此可知, 在喉管下端位置主要是CO₂与氯化铈颗粒的混合.
图 3(Fig. 3)

图 3 气相与主要生成物体积分数的分布云图Fig.3 Volume fraction of gas phase and main products

2.3 引流管长度h对流动行为的影响2.3.1 引流管长度h对气固混合效果的影响通过气固均混度来衡量文丘里管的气固混合效果.气固混合效果越好, 气固两相反应物接触面积越大, 越容易制备球形度较好的氧化铈颗粒.图 4为引流管长度h与气固混合效果的关系图.横坐标Z代表文丘里反应器的位置，反应器左侧燃料入口为坐标原点，纵坐标α代表气含率，β代表气固均混度. 在图 4a中35 mm引流管的监测面气含率分布最高，为0.955，最低截面气含率为0.91，整体监测面气含率偏差幅度小.在图 4b中35 mm引流管的气固均混度最小, 气固混合能力最好; 15 mm和45 mm的引流管不会加强气固混合能力.
图 4(Fig. 4)

图 4 引流管长度h与气固混合效果的关系Fig.4 Relationship between length of drainage pipe and effect of gas-solid mixing (a)—引流管长度与气含率关系；(b)—引流管长度与气固均混度关系.

2.3.2 对倒吸效果的影响因为文丘里热解反应器具备一定的倒吸效果, 可以通过优化反应器结构来提升倒吸效果, 从而优化二次雾化效果, 解决粒径不均的问题.根据图 5a可以得到, 引流管越长, 压差越大, 引流管长度与压差成正比关系.选择Z₁为监测面, 监测单位时间内吸入氯化铈的质量流率.根据图 5b可以得到, 引流管越长, 倒吸能力越强.通过图 5a可以得到，在扩张段最左侧截面的压差为最大, 最右侧压差最小且到出口压差数值基本不变, 扩张段最右侧截面到出口处是文丘管结构压强较为稳定的部位, 有助于形成均匀分布的固相热解产物颗粒.倒吸能力越强, 反应物溶液在物料口处的速率越大, 越容易形成液滴的一次雾化破碎, 并为后续气体与液滴二次雾化提供良好的基础.一次雾化液滴越小, 二次雾化效果越好, 气固反应物的接触面积越大, 有助于球形度好的固体颗粒产物的生成.
图 5(Fig. 5)

图 5 引流管长度h与倒吸效果关系图Fig.5 Relationship between length of drainage tube and suction effect (a)—引流管长度与压差关系；(b)—引流管长度与质量流率关系.

2.4 喉管长度L₄对流动行为的影响2.4.1 对气固混合效果的影响根据图 6a可以得到, 当喉管长度为50 mm时, Z₁~Z₁₀监测面上的监测面气含率最低, 当喉管长度增加时, 文丘里反应器的各监测面气含率明显增大.根据图 6b可以得到, 喉管长度为50~ 150 mm范围内, 喉口长度越长, 其气固混合能力越好.当喉管长度200 mm时, 监测面Z₂, Z₃的监测面气含率明显高于其余结构, 其气固混合能力最差.通过比较得出, 喉管长度为150 mm时气固混合能力最好.
图 6(Fig. 6)

图 6 喉管长度L4与气固混合效果关系图Fig.6 Relationship between throat length and gas solid mixing effect (a)—喉管长度与气含率关系；(b)—喉管长度与气固均混度关系.

2.4.2 对倒吸效果的影响选用Z₁(S₁)，Z₁₀(S₂)，Z₁₁(S₃)，Z₁₂(S₄)，Z₁₃(S₅)，Z₁₄(S₆)作为衡量倒吸效果的监测面.根据图 7a喉管长度L₄与压差关系图和图 7b喉管长度L₄与氯化铈质量流率关系图可以得到, 喉管长度50 mm的压差曲线趋势与其他结构相差较大, 其余结构的压差关系基本成正比关系, 即喉管长度越短, 压差越大, 单位时间内带入物料口的氯化铈含量越多, 文丘里管反应器的倒吸能力越好.当喉管长度为100 mm时, 文丘里管倒吸能力最好, 反应器内部压强较为稳定, 适合热解过程中产生分布均匀的氧化铈颗粒.
图 7(Fig. 7)

图 7 喉管长度L4与倒吸效果关系图Fig.7 Relationship between throat length and suction effect (a)—喉管长度与压差关系；(b)—喉管长度与质量流率关系.

2.5 直径比M对流动行为的影响2.5.1 对气固混合效果的影响直径比M为反应器扩张段直径d₂与收缩段直径d₅的比值.
根据图 8a直径比M与监测面气含率关系图得出, M值为2∶ 1和2∶ 3时, 各监测面气含率都小于M=2∶ 2各监测面气含率.根据图 8b直径比M与气固均混度关系图可以看出, 直径比M=2∶ 1时气固混合效果最好.
图 8(Fig. 8)

图 8 直径比M与气固混合效果关系图Fig.8 Relationship between diameter ratio and gas solid mixing effect (a)—直径比与气含率关系；(b)—直径比与气固均混度关系.

2.5.2 对倒吸效果的影响根据图 9a直径比与压差关系图, 得到当M值为2∶ 1时, 收缩段直径与喉管直径相同, 反应器后半段没有扩张段, 导致反应器后半段气体流速加快, 压强增大, 压差幅度不稳定.当M为2∶ 2和2∶ 3时, 二者压差分布关系趋势相同, 且M值越大, 压差越大.根据图 9b直径比M与氯化铈质量流率关系图可以得到, 当M值为2∶ 2时, 文丘里反应器倒吸能力最好.
图 9(Fig. 9)

图 9 直径比M与倒吸效果关系图Fig.9 Relationship between diameter ratio and back suction effect (a)—直径比与压差关系；(b)—直径比与质量流率关系.

3 结论1) 引流管长度35 mm时, 气固均混度最小, 混合效果最好.引流管长度越长, 静压压差越大, 倒吸能力越好, 吸入氯化铈的质量流率越大.引流管长度为45 mm, 静压压差最大, 倒吸能力最好, 单位时间内吸入氯化铈的质量流率最大.
2) 喉管长度150 mm时, 气固均混度最小, 混合效果最好.喉管长度为100 mm, 静压压差最大, 倒吸能力最好, 单位时间内吸入氯化铈的质量流率最大.
3) 扩张段直径与收缩段直径比M=2∶ 2时气固均混度最小, 混合效果最好, 静压压差最大, 倒吸能力最好, 单位时间内吸入氯化铈的质量流率最大.
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