一种小型超临界喷射反应器喷嘴工业化设计探讨

龚宣铭，韦仙健，阮晋德，玉曾仁，董广成

（百色学院 材料科学与工程学院，广西 百色 533000）

自从1822年Cagniard首次报道物质的临界现象以来，世界各国学者便开始对超临界现象和技术进行研究，并在各个领域取得了快速发展。至今，超临界技术已迅速扩展到分离等领域［1-9］。国内外研究发现［10-19］，利用金属和金属氧化物等无机化合物不溶于非敏感水的特性和超临界水热合成方法，可瞬间形成大的氢氧化物核数，然后通过脱水过程获得精细纳米颗粒。该工艺已用于以批量和连续模式生产大量金属氧化物。还有研究者在此基础上，采用超临界技术，利用连续化的生产过程实现了不同催化剂在不同溶液中分别合成纳米级 Fe2CoO4、BaZrO3（钙钛矿）和二氧化钛（锐钛矿）等原材料。因此，利用超临界技术不但可以实现常规无机盐的回收，还可以进行大规模纳米级昂贵原材料的合成制备，工业化意义深远。在国内，超临界流体萃取技术已经从科研阶段过渡到了小型工业化阶段，但其工业化应用时间很短。而且在超临界流体萃取装置生产过程中，不可避免出现了许多问题，例如安全性不够高、生产过程不够稳定及生产的物质纯度不够等。在从实验室到工业化试点过程，有一些变量或参数是能否成功扩大工业化生产规模的关键。由于要进行大量的实验，且受实验极端条件的限制，这些变量或参数很难只通过实验获得。过程建模是研究这些变量或参数在不同尺度下的潜在影响以及评估替代设计的有用工具，最有效的建模方法是采用计算流体动力学（CFD）预测粒子演化的条件和种群平衡随时间的分布。

本文基于带有k-ε湍流模型的ANSYS Fluent有限元软件包，采用CFD技术对某超临界反应装置中一特定工艺的小型超临界喷射反应器喷嘴的流动、混合和传热进行模拟，并指导其工程设计，以保证流体在反应器温度场内充分接触，使反应产物生成量最大化。

1 小型超临界喷射反应器简介

该小型超临界喷射反应器的内部结构示意见图1。

图1 小型超临界喷射反应器内部结构示图

在 22～30 MPa、400～500℃工艺条件下，通过高压输液泵分别从反应器管口a、管口b和管口c输入3股流体。管口a为某种指定高温超临界水入口，管口b和管口c为2股常温指定反应介质入口，3股流体在反应器内混合发生反应，最终反应产物从管口d流出。

反应器管口a处管道的内直径为Di，管口b、c和 d处管道的内直径为 D1，Di和 D1均小于0.01 m，管道非常细。尤其管口a处与反应器是套管连接，使得反应流体在反应器内的流型变得复杂且流型与管道尺寸密切相关。该工况下的反应器设计与常规流体设备设计有所不同，设计内容和难度增加。因此，利用仿真手段来提高设计效率十分必要。

2 喷嘴有限元仿真理论基础

2.1 控制方程

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，在石油化工、核工业、机械制造及能源等领域应用广泛。文中基于ANSYS软件提供的通过单位时间内平均雷诺数获得单位时间平均瞬时方程的方法获得质量、动量、热能和物质传输仿真控制方程，表达式如下。

式（1）～式（5）中，ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；xj为基矢量j方向空间点位置，xi为基矢量i方向空间点位置；uj为基矢量j方向速度，ui为基矢量i方向速度，m/s；p 为压力，τij为黏性应力，MPa；Yi为物种质量分数；μj为基矢量j方向黏度，μt为湍流涡黏度，Pa·s；h 为比焓，J/kg；λ 为热导率，W/(K·m)；T 为温度，K；Prt为湍流普朗特数；Гi为每种物料扩散系数，m2/s；Sct为湍流施密特数。

2.2 湍流模型

由给定的工艺条件可知，反应器进料流体均为湍流流动。湍流的基本特征是流体微团运动的随机性，湍流微团不仅有横向脉动，而且有相对于流体总运动的反向运动，因而流体微团的轨迹极其紊乱，随时间变化很快。湍流中最重要的现象是由这种随机运动引起的动量、热量和质量的传递，其传递速率比层流高几个数量级。文中模拟采用了ANSYS软件提供的最常用的k-ε湍流模型，湍流动能k及其耗散率ε由以下传输方程获得：

式（6）～式（8）中，经验常数 σk=1、σε=1.3，Cε1=1.44、Cε2=1.92 ；μi为基矢量 i方向的黏度，Pa·s。

2.3 超临界水物性参数处理

国际水和水蒸气性质学会（IAPWS）提供了通用和科学用途的普通水热力学性质计算公式，该公式还可用于计算水的性质，如密度、黏度、热导率和扩散系数等，但需要大量实验数据进行拟合来确定这些公式里的参数。除此之外，如果将这些公式嵌入到仿真软件中，在计算超临界水热力学和流体力学参数时会占用相当大的计算资源。为避免这个问题，本文直接选用1995年美国国家科学院基于1995年IAPWS制定的标准和技术，通过在24 MPa下几个分段温度内获得的可内外插值的多项式形式来拟合分段曲线。利用该曲线可以高效准确地计算超临界水的热力学物性参数。

3 喷嘴仿真过程及结果分析

3.1 有限元建模及网格划分

使用ANSYS软件的SCDM模块进行几何建模，再采用WORKBENCH模块进行网格划分。划分了16 000个网格单元的小型超临界喷射反应器二维模型及计算域见图2和图3。

图2 小型超临界喷射反应器二维模型

图3 小型超临界喷射反应器二维模型计算域

3.2 喷嘴类型设计

进料管口a的超临界水温度500℃、工作压力24 MPa，进料管口b、管口c的2股反应进料温度均为25℃、工作压力均为24 MPa。3股进料流的流速固定为100 m/s。3股物料在反应器内混合反应后从反应器管口d流出。为了管道保温，在超临界流体进口管道外壁及与该管道相连接的反应器外壁缠绕恒温伴热带。为了研究反应器内流体速度场和温度场随喷嘴出口位置的变化，设计了类型一和类型二喷嘴，类型一喷嘴出口置于管口b（管口c）中心线，类型二喷嘴出口与管口b和管口c管壁内侧平齐 （未超过管b和管c的中心线侧）。为了研究反应器内流体速度场和温度场随喷嘴直径的变化，设计了类型三和类型四喷嘴，这2种喷嘴的出口均置于管口b（管口c）中心线平齐位置，喷嘴直径分别缩小到原来的75%和50%。4种类型喷嘴示意结构见图4。

图4 4种喷嘴结构示图

3.3 仿真结果及分析

使用ANSYS Fluent有限元软件中的二阶迎风格式对控制方程中对流项进行离散化，并且求解湍流量方程，同时获得了4种类型喷嘴反应器内流体的速度场和温度场分布云图，分别见图5和图6。

图5 4种类型喷嘴反应器内流体速度场分布云图

图6 4种类型喷嘴反应器内流体温度场分布云图

从图5看出，类型一和类型二喷嘴的反应器内流体速度场没有明显区别，最大速度分别为387 m/s和380 m/s，且都发生在反应器与管口d的连接区域。流体进入出料管后，随出料管长度的增加，流体速度均匀减小。对类型三和类型四喷嘴，反应器内流体速度场有明显区别，最大速度分别为401 m/s和597 m/s，类型三喷嘴最大速度发生在反应器与管口d的连接区域，类型四喷嘴最大速度是发生在喷嘴出口处。在符合充分接触反应时间的前提下，仅从生产效率的角度看，类型三和类型四喷嘴明显优于类型一和类型二喷嘴。

从图6中可以看出，流体的温度场与喷嘴的出口位置和形状密切相关。尽管4种类型喷嘴都能使超临界水在管口a出口处保持最高温度（800 K），但在最高温度下类型四喷嘴所围成的面积明显小于其它3种类型喷嘴。所以仅从温度场的均匀性和有效性来看，类型四喷嘴明显优于其它3种类型喷嘴。

4 结语

对小型超临界喷射反应器喷嘴进行了有限元仿真工程设计。从仿真结果可以看出，改变喷嘴在指定的2个位置，流体的速度场和温度场变化程度没有改变喷嘴直径导致流体速度场和温度场变化程度剧烈。喷嘴直径越大，有效反应接触面积越小；喷嘴直径越小，有效反应接触面积越大。有限元仿真是喷嘴工程设计的一种有效方法，可用于中试放大及工业化生产设计优化，为其他类似超临界装置的工程设计提供指导和借鉴。