黄磷脱砷中文丘里反应器的流固耦合研究

王晓静，李晓悦

(天津大学化工学院，天津 300072)

黄磷是众多含磷化合物的基本原料，随着市场对高纯度磷化工制品数量和质量提出了新的要求，有必要对高纯度黄磷制备的工艺技术进行进一步的研究。通常，黄磷脱砷工艺利用机械搅拌器使黄磷与氧化性介质混合反应，进而达到净化效果[1]。然而，使用机械搅拌存在很多不足之处，诸如处理后含砷量高，产品纯度低，大规模生产安全性差等。为解决这些问题，运用两相射流混合技术，用双氧水连续氧化脱除工业黄磷(砷质量分数在400×10-6以上) 中的砷而制取低砷磷(砷质量分数低于10×10-6) 的技术近年来发展迅速。

文丘里反应器是利用喷射技术和射流紊动扩散作用研制出来的流体机械[2]。由于本身没有运动部件，因而结构简单，工作可靠，制造容易，安装维护方便，密封性好，便于综合利用，在许多工艺流程中如化学工业、石油开发等领域应用具有明显的优越性和不可替代性。目前，针对文丘里的尺寸优化[3-5]、流场模拟[6-8]和实验研究[9-11]等成果较多，但通常是从理论分析和实验研究上进行相关研究，而将其用于具体的化工过程——黄磷脱砷过程的流固耦合研究并不多见，鉴于高速双氧水流体对文丘里及喷嘴产生了一定程度的冲击，因此有必要对文丘里反应器的结构性能进行相应研究和分析。

本研究采用FLUENT模拟得到文丘里内部流场，并结合结构静力分析考察喷嘴及文丘里内壁面的应力、应变分布规律，探索高速流体的冲击对文丘里内部结构的影响情况，为将来文丘里反应器的结构设计及优化提供可以参考的数据和结论。

1　几何模型

文丘里反应器主要由吸入管、吸入室、喷嘴、混合室、扩散管、引流管等部分组成，其基本结构如图1所示。

图1　文丘里引射反应器结构图Fig.1　Structure of Venturi ejector reactor

文丘里反应器的结构尺寸根据黄磷脱砷工艺的流程处理需要，将双氧水与液态黄磷的流量之比控制在10∶1到5∶1的范围时脱砷效果较为良好，在此基础上参照经验公式[2]确定如表1所示。

表1　结构尺寸参数

2　流固耦合计算模型

2.1　基本假设

对于黄磷脱砷中的文丘里反应器来说，受内流场的影响，喷嘴出口处的变形量较小，故不考虑结构场变化对于流体流场的影响，该过程是把CFD分析计算的结果传递给固体结构分析，但没有固体结构分析结果传递给流体分析的过程。涉及到的流固耦合通过ANSYS Mechanical APDL+FLUENT的单向流固耦合进行分析，并做出基本假设[12]：不考虑流体的压缩性和空化效应；固体介质为各向同性线弹性，不考虑孔隙压力影响。

2.2　计算模型及边界条件

对于文丘里反应器内流场计算及喷嘴结构场计算，本研究分别建立流场计算和结构场计算的三维几何模型。利用Gambit 2.3.16软件分别绘制文丘里反应器设备结构及内部流场计算域，分别见图2和图3。将文丘里反应器和实体模型和流体计算域模型完整地转换到ANSYS静态结构分析模块中，并利用其中的自动划分网格法，采用SOLID187结构实体单元，对文丘里结构进行有限元网格划分。为了确保流场载荷能够精确地传递到流体和固体耦合的交界面上，将两个求解域在各自求解器中的坐标保持一致。

图2　文丘里反应器固体结构网格划分图Fig.2　Grid division model of Venturi ejector reactor-solid domain

图3　文丘里反应器流体域网格划分图Fig.3　Grid division model of Venturi ejector reactor-fluid domain

模拟中文丘里材料为Q345R，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，许用应力为170 MPa，抗拉强度为510 MPa；由于双氧水的物性参数与水相似，故将流体介质设置为水。

边界条件设置根据文丘里反应器实际情况，分别对文丘里和喷嘴的入口端面添加固定约束Fixed Support。在文丘里反应器中，由于没有运动部件，因此惯性载荷不存在，载荷只需考虑流体载荷带来的影响。将由FLUENT流体计算得到的压力数据经过ANSYS Workbench传输并映射到结构的相应表面，完成流体载荷的施加。

3　模拟结果与讨论

3.1　内部流场的分布特点

选取工作压力为0.1 MPa时的工作状态为例，绘制反应器内部工作流体(双氧水)和引射流体(液态黄磷)沿轴向的压力和速度分布特点曲线如图4和图5所示。

图4　文丘里反应器轴向压力变化Fig.4　The changes of pressure in different location

从图4中可以看出，具有一定初始压力的工作流体(双氧水)进入喷嘴收缩段后，压力逐渐降低，从喷嘴喷出后，在吸入室内形成一定程度的负压区，从而将低压的引射流体(液态黄磷)吸入反应器，两股不同压力的流体在喉管内经过传质传能后从扩散管流出，在扩散管中，混合液体的压力逐步提高。

图5　文丘里反应器轴向速度变化Fig.5　The changes of velocity in different location

从图5中同样可以看出，双氧水在喷嘴出口的速度达到最大，随着黄磷的吸入，二者在混合的过程中由于黏性力的存在，黄磷速度不断得到提升，而双氧水的速度逐渐降低，最终在喉管出口附近区域二者速度基本达到一致。

在喉管的横截面上选取不同轴向距离和不同径向距离的点，考察不同位置处管内流动特点，如靠近壁面与远离壁面、喉管入口与喉管出口处的速度差异。选择轴向距离为z=225、240、256、272和288 mm等5个特征位置和r=0、2.25、4.50、6.75和9.00 mm等5个径向特征位置组合成25个不同的位置点，喉管内的取点分布如图6所示。分别以r/rmax和u/umax为横纵坐标，其中rmax=9 mm，umax为不同轴向距离轴心处的最大速度值，得到的曲线如图7所示。

图6　喉管上的取点分布Fig.6　The distribution of points in the throat

图7　文丘里反应器混合室内不同位置点处的速度变化Fig.7　Changes of velocity in different location in the throat

从图7中可以看出，在靠近内壁面的位置，由于黏性力的存在，流体的速度几乎为0。在喉管入口附近，即z为225和240 mm的位置处，由于工作流体和引射流体二者还没有充分混合，因此存在着较为明显的速度差；随着轴向距离的增大，由于黏性力的存在，两股流体的速度差越来越小，在曲线上表现出来的结果也是越来越平缓，说明流体的混合越来越充分。

3.2　结构静力学分析

分别选取工作压力为0.1、0.2、0.3和0.4 MPa流场结果数据并传递到Static Structure中进行结构静力分析。同时，为了能清晰地观察结构内部的应力应变情况，故通过结构的对称平面截取结构的一半进行分析和研究。

图8是文丘里反应器的结构在0.1 MPa工作压力流体耦合作用后得到的变形前后对比图，为了清楚地表现结构变形的趋势，将变形按实际变形的2倍进行显示。从图8中可以看出，文丘里反应器的扩散管尾部有向吸入管相反的方向变形的趋势，但是，由于此变形量在数值上非常小，因此，可以忽略不计。

图8　文丘里反应器变形前后的对比Fig.8　The comparison before and after deformation

图9　文丘里反应器内部和外部的应变对比Fig.9　The internal and external comparison of equivalent elastic strain

图10　不同工作压力下文丘里反应器的应变对比Fig.10　The comparison of equivalent elastic strain with different working pressure

图9是文丘里反应器的结构在0.1 MPa工作压力流体耦合作用后得到的结构内部和外部应变对比图，可以看出，由于工作流体直接与结构内部进行流固耦合作用，而结构有一定的壁厚，因此结构内部的应变比外部的大，最大应变值集中在喷嘴的内部流道中。

图10和图11分别是在0.1、0.2、0.3 和0.4 MPa的工作压力条件下，将流场结果数据传递到Static Structure中进行结构静力分析得到的应变和应力分布云图，云图从上到下工作压力依次增大，可以看出，在结构内部，喷嘴内的流体压力是整个流场中压力最大的区域，因此最大应变和应力值均集中在喷嘴的内流道上。同时，由于高速流体射流作用，在喷嘴出口处的应变和应力值也较之文丘里其他部分结构所显示出的数值要大。另一方面，随着工作压力的提高，相应的应变和应力值也提高。从数值上看，应变和应力值都处于很低的水平，能够满足工况的要求。

图11　不同工作压力下文丘里反应器的应力对比Fig.11　The comparison of equivalent stress with different working pressure

图12为不同工作压力条件下文丘里反应器在z方向上的应变分布云图。

图12　不同工作压力下文丘里反应器z方向的应变对比Fig.12　The comparison of equivalent elastic strain with different working pressure at z direction

由图12可以看出，在吸入管的同一侧，扩散管受到拉应力的作用，而在吸入管相反的一侧，扩散管受到压应力的作用，因此出现了扩散管尾部向吸入管相反方向弯曲的趋势。另一方面，对于喷嘴而言，由于流体高速的射流作用，导致喷嘴出口区域基本都收到拉应力的作用。

对于较低水平的工作压力来说，由于应力值较低，因此结构的性能能够满足工况的要求，但是当工作压力明显提高时，结合实际情况来对结构进行进一步的综合分析，以便对结构进行优化设计和改进，保证结构能够在运行中不出现问题是非常必要的。

4　结论

应用FLUENT软件，采用Phase Coupled Simple算法和Realizablek-ε湍流模型，模拟了在其他尺寸参数相同的条件下不同喷嘴直径表现出的文丘里引射反应器工作性能和内部流场变化情况。主要结论如下。

1) 通过对文丘里反应器内部流场的模拟计算，验证了设备内沿轴向的速度和压力分布特点。在该结构尺寸下，通过分析喉管内不同特征点的速度值，得知在喉管出口处的流体基本达到均匀状态。

2) 在特定工作压力条件下，文丘里反应器的扩散管在工作中有向吸入管相反方向变形的趋势。吸入管一侧的扩散管受拉应力影响，吸入管相反一侧的扩散管受压应力影响。

3) 在整个结构中，最大应力和应变值均集中在喷嘴内流道中。由于高速流体的射流作用，喷嘴出口附近结构主要承受拉应力的作用。由于计算得到的应力和应变数值均处于较低水平，因此结构能够满足工况的要求。

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