王曉靜，唐 磊，江 增

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

文丘里引射反應(yīng)器是利用噴射技術(shù)和射流紊動(dòng)擴(kuò)散作用研制出來(lái)的流體機(jī)械［1］。由于本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因而其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠，安裝維護(hù)方便，密封性好，便于綜合利用，在許多工藝流程中如化學(xué)工業(yè)、石油開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性和不可替代性，特別適合于水下和存在放射、易燃、易爆等可能性的危險(xiǎn)場(chǎng)合。

黃磷是眾多含磷化合物的基本原料。通常，黃磷脫砷工藝?yán)脵C(jī)械攪拌器使黃磷與氧化性介質(zhì)混合反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到凈化效果［2-3］。然而，使用機(jī)械攪拌存在很多不足之處，主要是黃磷易于結(jié)塊而導(dǎo)致脫砷反應(yīng)不充分，同時(shí)需要耗費(fèi)大量的人力、物力，伴隨著對(duì)攪拌器的檢修和維護(hù)工作。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究以文丘里兩相射流混合技術(shù)，用雙氧水連續(xù)氧化脫除工業(yè)黃磷 (砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在400×10-6以上)中的砷從而制取低砷磷 (砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10×10-6)的一種全新工藝為背景，著重研究文丘里反應(yīng)器的混合分散機(jī)理以及其流體力學(xué)行為，進(jìn)一步研究其對(duì)黃磷脫砷反應(yīng)過(guò)程的影響，以求得到適合這一反應(yīng)過(guò)程的文丘里雙相射流反應(yīng)器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。目前已完成了小試可視化實(shí)驗(yàn)裝置和中試裝置的制備，并進(jìn)行了黃磷脫砷的研究和計(jì)算流體力學(xué)模擬計(jì)算，為該工藝的工業(yè)化放大提供了有利的參考依據(jù)。

目前，針對(duì)文丘里的尺寸優(yōu)化［4-6］、流場(chǎng)模擬［7-10，15-16］和實(shí)驗(yàn)研究［11-13］等成果較多，但通常是從理論分析上進(jìn)行相關(guān)研究，而將其用于具體的化工過(guò)程---黃磷脫砷過(guò)程的研究并不多見(jiàn)，鑒于黃磷脫砷工藝在整個(gè)黃磷生產(chǎn)中扮演著重要的角色，因此有必要對(duì)黃磷脫砷工藝中的文丘里引射反應(yīng)器的噴嘴出口直徑及相對(duì)應(yīng)的壓降變化進(jìn)行研究和分析，以獲得可供參考的數(shù)據(jù)和結(jié)論，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

在文丘里引射反應(yīng)器的研究中，主要有理論計(jì)算、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬3種方法。由于黃磷的燃點(diǎn)較低 (約40℃)，因此為了防止其自燃必須保證黃磷不接觸空氣。傳統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的研究方法需要有相應(yīng)的安全保護(hù)措施和大量的人力物力，研究周期較長(zhǎng)。而數(shù)值模擬以其高效、低成本、能適應(yīng)多種可變因素等優(yōu)勢(shì)，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究應(yīng)用FLUENT 6.3軟件，分別計(jì)算了不同噴嘴直徑下反應(yīng)器的性能及對(duì)應(yīng)的壓降變化情況，以效率最高為原則，在指定流量比要求下，找出一種最適合黃磷脫砷工藝的尺寸參數(shù)。

1 計(jì)算模型

1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

文丘里引射反應(yīng)器主要由吸入管、吸入室、噴嘴、喉管(混合室)、擴(kuò)散管、引流管等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的工作原理是:一定壓力的流體(雙氧水)通過(guò)噴嘴后以一定速度射出，在射流紊動(dòng)擴(kuò)散作用及卷吸作用下，吸入低壓流體(液態(tài)黃磷)，兩股不同壓力的流體在喉管(混合室)內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)量、質(zhì)量和能量交換，工作流體速度及壓力減小，被吸入流體速度增加，在喉管出口處兩股流體的流速漸趨于均勻，混合流體經(jīng)擴(kuò)散管將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，增壓后通過(guò)引流管輸出。

圖1 文丘里引射反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Ventu ri ejector reactor

在文丘里引射反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，面積比受噴嘴出口直徑變化的直接影響，過(guò)小的噴嘴出口直徑能夠產(chǎn)生極大的射流速度和梯度，可以獲得較高的分散效果，但與此同時(shí)也會(huì)增加內(nèi)部流場(chǎng)的局部阻力損失，進(jìn)而改變反應(yīng)器的性能。因此，針對(duì)反應(yīng)器指定的流量比要求，應(yīng)綜合考慮反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性、高效性等因素來(lái)決定噴嘴的直徑大小。

文丘里引射反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)黃磷脫砷工藝的流程處理需要，將雙氧水與液態(tài)黃磷的流量之比控制在10∶1到5∶1的范圍時(shí)脫砷效果較為良好，在此基礎(chǔ)上參照經(jīng)驗(yàn)公式［1］確定如表1所示。分別計(jì)算了經(jīng)驗(yàn)公式內(nèi)的6、8、10和12 mm等4個(gè)噴嘴出口直徑下(其對(duì)應(yīng)的喉管與噴嘴出口截面積之比分別為 9.00、5.06、3.24和 2.25)文丘里引射反應(yīng)器的內(nèi)部流場(chǎng)及性能，并進(jìn)行了對(duì)比分析，在不考慮發(fā)生汽蝕的條件下，通過(guò)改變不同的噴嘴出口直徑和操作條件，確定對(duì)應(yīng)的最適宜工作參數(shù)，為實(shí)際黃磷脫砷工藝的節(jié)能和高效提出可參考的數(shù)據(jù)范圍。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Table 1 Geom etric param eters of VER

1.2 網(wǎng)格劃分和湍流模型

由于文丘里引射反應(yīng)器的內(nèi)部流場(chǎng)屬于不規(guī)則區(qū)域的有限空間射流，因此在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)，網(wǎng)格的劃分不宜采用單一的網(wǎng)格，而應(yīng)根據(jù)速度梯度的大小來(lái)適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格的疏密，以保證流場(chǎng)各部分的節(jié)點(diǎn)距離相對(duì)穩(wěn)定，確保計(jì)算結(jié)果的可靠性。針對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在噴嘴出口至喉管這一范圍內(nèi)，兩種流體存在較大的梯度差異，二者在接觸混合的同時(shí)伴隨著劇烈的湍動(dòng)和傳遞現(xiàn)象，必須考慮其紊流剪切作用和壓力脈動(dòng)作用，因此在這一區(qū)域需要適當(dāng)加大網(wǎng)格密度。同時(shí)，在近壁區(qū)域，由于邊界層的存在也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分形式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 G rid d ivision m odel of Venturi ejector reactor

求解器設(shè)置選擇分離式隱式求解器，Realizable k-ε雙方程紊流模型，壓力方程采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式，多相流采用歐拉兩相流模型(流體的相關(guān)物性數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)，而壓力-速度耦合方程采用 Phase Coupled Simp le格式，其余方程采用一階迎風(fēng)離散格式［14］。在邊界條件的設(shè)定中，工作流體和引射流體進(jìn)口均設(shè)為壓力進(jìn)口條件，混合液出口設(shè)為壓力出口條件。引射流體的進(jìn)口壓力考慮液態(tài)黃磷重力造成的靜壓，設(shè)置為8 kPa，出口壓力根據(jù)工程應(yīng)用需要，保證混合液壓能可以克服沿程阻力到達(dá)指定儲(chǔ)罐，設(shè)置為18 kPa。壁面邊界采用計(jì)算效率高、實(shí)用性強(qiáng)的壁面函數(shù)法。在此基礎(chǔ)上對(duì)文丘里引射反應(yīng)器全流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

表2 工作介質(zhì)物性數(shù)據(jù)Table 2 Properties of work ing m edium

計(jì)算過(guò)程中監(jiān)視計(jì)算域的速度、壓力、湍流動(dòng)能等變量，當(dāng)監(jiān)視參數(shù)區(qū)域穩(wěn)定同時(shí)殘差達(dá)到預(yù)定值10-5，并且引射流體的質(zhì)量流量基本保持不變，總的質(zhì)量不平衡率小于總的質(zhì)量流量的0.5%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。計(jì)算中沒(méi)有考慮溫度的影響。

2 性能參數(shù)

由于文丘里引射反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理及工作過(guò)程與射流泵相似，故可以使用射流泵的相關(guān)性能參數(shù)作為衡量和評(píng)價(jià)該反應(yīng)器的部分性能指標(biāo)。

射流泵的流量、壓力及主要幾何參數(shù)用以下無(wú)因次函數(shù)表示為

式(1)～(4)中，Qs為吸入口流量(液態(tài)黃磷);Q0為工作流量(雙氧水);p0為工作壓力;ps為吸入口壓力;pc為出口壓力;ρ0為工作流體密度;ρs為引射流體密度;ρc為工作流體密度;v0為工作速度;vs為吸入口速度;vc為出口速度;z為位置高程;Ath為喉管截面積;A為噴嘴收縮處截面積。

3 噴嘴直徑對(duì)性能指標(biāo)的影響

3.1 噴嘴直徑對(duì)q-h曲線和q-η曲線的影響

在中試實(shí)驗(yàn)裝置中，調(diào)節(jié)雙氧水的入口壓力分別為0.2、0.3和0.4 MPa，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得雙氧水工作流量分別為1.13、1.41和1.65 m3/h，而在相同的操作條件下，數(shù)值模擬所得到的雙氧水工作流量分別為1.19、1.35和1.79 m3/h，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差分別為5.3%、4.3%和7.8%，相對(duì)誤差滿足要求，說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

根據(jù)工程需要，在引射壓力為8 kPa，出口背壓為18 kPa的條件下，改變工作壓力，分別對(duì)噴嘴直徑為 6、8、10和 12 mm(對(duì)應(yīng)的面積比為 9.00、5.06、3.24和2.25，下同)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，繪制出文丘里引射反應(yīng)器的工作特性曲線如圖3和圖4。

圖3 噴嘴直徑對(duì)q-h曲線的影響Fig.3 The im pact of different nozzle on the curve of q-h

圖4 噴嘴直徑對(duì)q-η曲線的影響Fig.4 The im pact of different nozzle on the curve of q-η

由圖3和圖4可以看出，隨著噴嘴直徑的減小，對(duì)應(yīng)面積比的增大，q-h曲線和 q-η曲線均向下偏移;而在相同流量比的條件下，小直徑的噴嘴由于局部阻力較大，導(dǎo)致壓力損失過(guò)多而不能獲得較高的效率和較大的壓力比，說(shuō)明在其他尺寸參數(shù)相同的情況下，使用大直徑的噴嘴有助于提升反應(yīng)器的工作效率和壓力比，但是，由于噴嘴直徑的增大，導(dǎo)致了噴嘴出口速度的降低，由此可能造成高速射流效果不佳，進(jìn)而無(wú)法獲得充分分散的混合反應(yīng)結(jié)果。

另一方面，從圖3和圖4中可以看出，高的壓力比能夠獲得同樣高的效率，這也驗(yàn)證了Ning和Satofuka［15］的研究理論成果。在圖3中，每一個(gè)面積比都有一條對(duì)應(yīng)的效率曲線，且都有一個(gè)最適宜值，但是，不同面積比的最佳效率值是不同的。設(shè)定從最高效率下降5%為標(biāo)準(zhǔn)(相對(duì)值)來(lái)確定每一面積比下較為適宜的流量比范圍，同時(shí)列出最高效率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的最適宜流量比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同面積比下的最適宜流量比Table 3 The best flow rate ratio w ith different area ratio

針對(duì)不同的流量比需求，可按工程需要，確定工作流體和引射流體的混合反應(yīng)比，進(jìn)而根據(jù)表3的最適宜流量比范圍選擇最適宜的面積比，在不考慮高速噴射造成的分散混合效應(yīng)前提下，可以保證文丘里引射反應(yīng)器在高效率區(qū)進(jìn)行工作。

3.2 噴嘴直徑對(duì)壓降的影響

圖5是不同面積比下工作流體通過(guò)文丘里引射反應(yīng)器噴嘴的壓力降，其中工作流體的入口壓力設(shè)置為0.1 MPa。

圖5 噴嘴直徑對(duì)壓力降的影響Fig.5 The im pact of d ifferent nozzle on p ressu re d rop

由圖5可以看出，面積比越大(即噴嘴直徑越小)，則壓力降越大，而壓力降可以用來(lái)評(píng)價(jià)混合效果的好壞，因此，壓力降越大，高速射流造成的卷吸作用和紊動(dòng)擴(kuò)散作用越強(qiáng)烈，進(jìn)入喉管的引射流體的動(dòng)量越大，速度梯度和壓力梯度越大，因此工作流體對(duì)引射流體的分散效果越好，混合效果也越好。因此，對(duì)于接觸反應(yīng)的分散效果要求嚴(yán)格的工程問(wèn)題，應(yīng)該在綜合評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)力、能量供給等能耗問(wèn)題的條件下，盡可能選擇高面積比的反應(yīng)器，以獲得滿意的分散反應(yīng)效果。

3.3 噴嘴直徑對(duì)軸向速度和壓力的影響

圖6和圖7是不同面積比下工作流體通過(guò)文丘里引射反應(yīng)器后軸向速度和壓力的變化趨勢(shì)圖，其中工作流體的入口壓力設(shè)置為0.1 MPa，截面位置Z=0表示噴嘴出口截面?？梢钥闯觯诤砉芎蛿U(kuò)散管的部分，4個(gè)面積比對(duì)應(yīng)的曲線差別最大，速度差異和壓力差異最為明顯;在喉管段，速度衰減較為突出，說(shuō)明在文丘里引射反應(yīng)器的喉管內(nèi)，工作流體和引射流體發(fā)生劇烈的傳質(zhì)傳能現(xiàn)象，二者進(jìn)行混合反應(yīng);在擴(kuò)散管段，隨著軸向距離的增加，工作流體速度降低，引射流體速度增加，在喉管內(nèi)二者進(jìn)一步混合，流速逐漸趨于均勻，混合液的動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為壓能傳輸出去。

圖6 噴嘴直徑對(duì)軸向速度的影響Fig.6 The im pact of different nozzle on axial velocity

圖7 噴嘴直徑對(duì)軸向壓力的影響Fig.7 The im pact of d ifferent nozzle on axial p ressure

另一方面，在相同工作流體入口壓能的驅(qū)動(dòng)下，不同的面積比對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器喉管及擴(kuò)散管內(nèi)部的速度和壓力梯度變化也不盡相同。圖6顯示面積比大的條件下對(duì)應(yīng)的速度梯度最大，并且速度衰減也最為強(qiáng)烈。原因是小直徑噴嘴的局部能量損失太大，導(dǎo)致工作流體的壓能在高速射流后，將能量傳遞給引射流體的同時(shí)迅速衰減。由于文丘里引射反應(yīng)器內(nèi)的高速射流卷吸效應(yīng)屬于有限空間內(nèi)的射流，與自由剪切湍流不同，因此反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)受到噴嘴直徑的影響較為顯著。

3.4 中試實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較

選取噴嘴出口直徑為10 mm的文丘里引射反應(yīng)器為例，根據(jù)貴州某廠在中試實(shí)驗(yàn)中得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，將實(shí)際中雙氧水的工作流量與相同操作條件下模擬得到的雙氧水流量進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)和模擬的雙氧水流量對(duì)比Table 4 The contrast of Q0 between test and sim u lation

對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)可以得出，在相同的參數(shù)設(shè)置條件下，得到的雙氧水流量大小基本吻合，相對(duì)誤差基本保持在5%以下，說(shuō)明模擬的結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)論

應(yīng)用FLUENT軟件，采用 Phase Coupled Simple算法和Realizable k-ε湍流模型，模擬了在其他尺寸參數(shù)相同的條件下不同噴嘴直徑表現(xiàn)出的文丘里引射反應(yīng)器工作性能和內(nèi)部流場(chǎng)變化情況。主要結(jié)論如下。

1)噴嘴直徑直接影響到文丘里引射反應(yīng)器的工作性能和內(nèi)部流場(chǎng)。在特定的結(jié)構(gòu)尺寸條件下，噴嘴直徑越大(即面積比越小)，反應(yīng)器所形成的壓力比越大，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，同時(shí)工作效率也越高。

2)在相同的工作壓力條件下，噴嘴直徑越小，產(chǎn)生的壓力降越大，局部能量損失也越大。另一方面，對(duì)應(yīng)的接觸混合分散效果也越好。對(duì)于分散效果要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)該綜合考慮反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和選型，盡量保證反應(yīng)器在獲得滿意分散效果的前提下，在高效工作區(qū)工作。

3)在相同的驅(qū)動(dòng)工作壓力條件下，沿軸線方向的速度分布和壓力分布不盡相同。噴嘴直徑越小，對(duì)應(yīng)的速度和壓力梯度越大，當(dāng)工作流體從噴嘴高速射流出后，速度和壓力迅速衰減，在這過(guò)程中工作流體和引射流體進(jìn)行強(qiáng)烈的傳質(zhì)傳能接觸反應(yīng)。

［1］陸宏圻.噴射技術(shù)理論及應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2004 Lu Hongqi.The theory and application for spray techniques［M］.Wuhan:Wuhan University Press，2004(in Chinese)

［2］劉軍，李軍，任永勝，等.氧化增強(qiáng)劑對(duì)黃磷脫砷效果的影響［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2010，42(2):55-57 Liu Jun，Li Jun，Ren Yongsheng，et al.Effect of oxidation reinforcer on removing arsenic from yellow phosphorus［J］.Inorganic Chemicals Industry，2010，42(2):55-57(in Chinese)

［3］査坐統(tǒng)，蘇毅，李國(guó)斌.黃磷精制廢液脫砷的實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工科技，2009，17(4):13-16 Zha Zuotong，Su Yi，LiGuobin.The experimental study on the arsenic removal of waste liquid of refining yellow phosphorus［J］.Science and Technology in Chemical Industry，2009，17(4):13-16(in Chinese)

［4］龍新平，程茜，韓寧，等.射流泵最佳喉嘴距的數(shù)值模擬［J］.核動(dòng)力工程，2008，29(1):35-38 Long Xinping，Cheng Qian，Han Ning，et al.Numerical simulation of optimal nozzle-to-throat clearance of jet pump［J］.Nuclear Power Engineering，2008，29(1):35-38(in Chinese)

［5］Long X，Han N，Chen Q.Influence of nozzle exit tip thickness on the performance and flow field of jet pump［J］.Mechanical Science and Technology，2008，22:1 959-1 965

［6］王常斌，林建忠，石興.射流泵最佳參數(shù)的確定方法［J］.流體機(jī)械，2004，32(9):21-25 Wang Changbin，Lin Jianzhong，Shi Xing.Method of optimal parameter ascertainment of jet pump［J］.Fluid Machinery，2004，32(9):21-25(in Chinese)

［7］王常斌，林建忠，石興.射流泵湍流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2006，20(2):175-179 Wang Changbin，Lin Jianzhong，Shi Xing.Numerical simulation and experiment on the turbulent flow in the jet pump［J］.Chemical Engineering of Chinese Universities，2006，20(2):175-179(in Chinese)

［8］龍新平，關(guān)運(yùn)生，韓寧，等.可調(diào)式射流泵性能的數(shù)值模擬［J］.排灌機(jī)械，2008，26(6):1-5 Long Xinping，Guan Yunsheng，Han Ning，et al.Numerical simulation on performance of self-regulating jet pump［J］.Drainage and Irrigation Machinery，2008，26(6):1-5(in Chinese)

［9］Ajmal S，Im ran R C，Mansoor H I.Experimental and numerical analysis of steam jet pump［J］.Multiphase Flow，2011，37:1 305-1 314

［10］董敬亮，王曉冬.水蒸氣噴射泵混合室內(nèi)邊界層脫離現(xiàn)象的計(jì)算流體力學(xué)研究［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，30(4):455-458 Dong Jingliang，Wang Xiaodong.Computational fluid dynamic study of boundary layer separation in m ixing chamber of steam ejector［J］.Vacuum Science and Technology，2010，30(4):455-458(in Chinese)

［11］Eames IW，Worall M，Wu S.An experimental investigation into the integration of a jet-pump refrigeration cycle and a novel jet-spay thermal ice storage system［J］.Applied Thermal Engineering，2013，53(2):285-290

［12］Kanjanapon C，Satha A.An experimental investigation of a steam ejector refrigerator:The analysis of the pressure profile along the ejector［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24:311-322

［13］David S，Zine A，Mohamed O.An experimental investigation of an ejector for validating numerical simulations［J］.Refrigeration，2011，34:1 717-1 722

［14］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004 Wang Fujun.The analysis of computational fluid dynam ics［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2004

［15］Ning T，Satofuka N.Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu［J］.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers:Part B，1997，63:1 243-1 250

［16］王曉靜，江增，唐磊.黃磷脫砷裝置中分相器的 CFD數(shù)值模擬研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2015，32(4):44-49 Wang Xiaojing，Jiang Zeng，Tang Lei.CFD numerical simulation on the phase separator equipment for dearsenication of yellow phosphorus［J］.Chem ical Industry and Engineering 2015，32(4):44-49(in Chinese)