旋风式HCl-C2H2混和器的内部流场分析

陈以文，杨 清

(武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

聚氯乙烯简称PVC,是一种由氯乙烯在引发剂的作用下聚合而成的热塑性树脂，也是我国重要的有机合成材料之一.它广泛用于工业，建筑，日常生活，包装，公用事业，电力等领域.生产聚氯乙烯的方法主要包括悬浮聚合法，乳液聚合法，本体聚合法.采用电石法，石油法，乙烯法生产VCM单体.本研究主要涉及国内主流VCM单体的生产方法——电石法.运用电石法生产VCM单体时，需要将HCl与C2H2混合.旋风式混合器是用于HCl与C2H2混合的重要化工设备.它是后续HCl与C2H2充分混合反应生成VCM的重要保证，此过程中需要实时的对混合器混合后的气体进行抽样检测.以确保HCl-C2H2的混合比例控制在1∶(1.05～1.10)的范围之内.如果处理不当，轻则引起产品质量低劣，重则可能造成过氯而引起混合器的爆炸.所以对混合器的设计与优化是极其重要的.如图1所示为PVC生产线工艺流程图.

图1 PVC生产线工艺流程图

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型

旋风式混合器按常温常压设计，由于考虑到在实际的工况下，氯离子对不锈钢的腐蚀性和非金属材料诸如树脂制作设备的难度.故而采用普通碳钢Q235作为旋风式混合器的筒体材料，混合器总长为2 000 mm.外筒体的公称直径为800 mm.运用Gambit绘制混合器的三维几何模型，导入到CAE软件中后，如图2所示：

图2 旋风式混合器几何模型

1.2 有限元模型的建立

依据创建的实体模型.使用CAE软件生成有限元模型，并且划分网格.模拟实际工况下HCl气体从混合器沿切线偏心进入筒体与套筒夹层内的流场情况，本有限元模型中有限元模型的确立依据常用的CFD技术确立.对计算结果进行定性定量分析，并同时考虑实际情况下混合器的特定的工况环境,从而得到混合器筒体合适的开孔位置和筒体内出现的应力集中部位,为优化旋风式混合器提供了理论依据.有限元模型如图3.

图3 旋风式混合器有限元模型

2 计算结果分析

在图中建立的有限元模型建立有限元模型后，通过坐标原点作X=0截面，沿着此截面可以更好的观察筒体与套筒间夹层的流体形态.笔者得到计算结果中的此截面上套筒与混合器筒体之间的夹层内的流体速度矢量图，如图4所示.

图4 夹层X=0截面处速度矢量图

由图可知，在HCl和C2H2混合气体的出口两侧处速度矢量达到幅值19.8 m/s,在HCl气体入口处气体流速则达到14 m/s.可见，在混合器HCl进口及混合器出口位置处气体的流速较大，此两处是设备可能发生泄漏的重要部位.另外，为观察筒内的夹层的应力分布情况，对筒内流体的应力分布有一个具体的了解，笔者需要从计算结果中得到总体应力分布云图.对设备各处的内力做一个全面的分析.应力分布云图如下图5.

图5 夹层X=0截面处应力应变分布云图

如图5所示，混合器上侧部外筒体应力达到263 Pa.靠HCl进口以下的部位筒体应力达到200 Pa.尽管设备的总体应力较小.在设备的制造过程中仍需做好防酸处理，以防止设备在后续使用中出现的化学腐蚀和应力腐蚀.

在分析速度矢量时，注意到速度矢量的大小和梯度的同时，还需要关注周边漩涡的形成概况，要准确的模拟现实工况下漩涡的位置与强度，需要得到速度等值线图，速度等值线图如图6.

图6 夹层X=0截面处速度等值线图

如图6所示，夹层内出现了5个漩涡.其中在混合气体的出口处最为激烈.出现了紧缩现象.从微观上讲，这些都是气体分子之间发生激烈碰撞，交换的位置.

3 结 语

a.在筒体的入口处，HCl气体冲击筒体，在此处的速度矢量梯度是最大的，在此，速度增快加大，且是上半筒体的最大速度的出现位置，在此开孔的话，也可以认为是较佳的位置.两种流体横向对流.即可达到最大的程度上的接触.

b.选择在1，4漩涡处开第二排孔，是因为此两处的流体流线较复杂.在空间的各个平面皆有走向，是紊流产生的中心区域.此处横纵向皆可产生对流.是较佳的开孔位置.

c.应力较大的分布位置在进口靠外筒的上半部和靠外筒的漩涡下部直到锥壳附近.漩涡处与套筒接触部分应力也较大.

d.混合气体的出口管口处，出现了紧缩现象，此处的速度矢量较大,梯度变化明显.

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