鄭 森,袁紀(jì)武,趙祥迪,張日鵬,郭建章

(1.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島 266061 2.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266104)

1 儲罐冷卻材料噴涂裝置研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，對石油的需求逐年攀升，儲罐的數(shù)目也隨之增加，目前儲罐區(qū)朝著大型化和巨型化方向發(fā)展，儲罐內(nèi)燃料多具有易燃易爆的特性，因此儲罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)。研究表明儲罐火災(zāi)具有蔓延速度快、熱釋放速率高和熱輻射強度高等特點，容易導(dǎo)致相鄰罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，從而使事故擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，甚至危害生命安全。

當(dāng)前，對火災(zāi)情況下相鄰罐的保護(hù)技術(shù)有很多：①設(shè)置防火堤和罐間最小防護(hù)距離，此類措施很難阻止事故蔓延；②采用冷卻水噴淋，但是該方法造成水資源浪費，且存在污染環(huán)境，不利于現(xiàn)場開展救援等問題。因此需要選擇更安全環(huán)保的罐區(qū)相鄰罐冷卻保護(hù)技術(shù)。

高吸水性聚合物冷卻材料具有吸水和保水能力強、高效冷卻的特點。在火災(zāi)情況下，將冷卻材料噴涂到儲罐表面，對罐體形成冷卻保護(hù)層，從而起到冷卻降溫的作用。冷卻材料是由高吸水性聚合物與多種試劑混合形成，使用時與水按一定比例混配，混合液是一種假塑性流體，具有觸變性。冷卻材料的混配噴涂存在以下問題：①冷卻材料遇水易形成“團(tuán)聚”現(xiàn)象，導(dǎo)致微團(tuán)內(nèi)部不能溶脹；②冷卻材料溶脹較慢，在快速攪拌的情況下仍需要較長的溶脹時間；③混配溶脹好的冷卻材料在靜止時的黏度數(shù)值變大，流動性能變差。為了解決上述問題，設(shè)計了一套“動”、“靜”結(jié)構(gòu)結(jié)合的冷卻材料混配溶脹噴涂裝置，并對所設(shè)計的新型旋流靜態(tài)混合器的混合性能進(jìn)行了優(yōu)化。

2 冷卻材料混配裝置設(shè)計

高吸水性聚合物冷卻材料混配溶脹噴涂裝置分為“動”、“靜”兩個部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示?！皠印苯Y(jié)構(gòu)通過依靠外部動力源驅(qū)動機械轉(zhuǎn)動實現(xiàn)冷卻材料與水的混配溶脹。攪拌罐是化工固液混合常用的裝置，該裝置的攪拌器適用于對高黏度流體混合攪拌的開啟渦輪式攪拌器。在攪拌過程中既有軸向流也有徑向流，這有利于對固液物料進(jìn)行混合，同時維持冷卻材料的觸變性能，保持冷卻材料較低的黏度，以便于管路運輸和噴涂作業(yè)。因此“動”結(jié)構(gòu)可以解決冷卻材料靜置時流動性能變差的問題?！办o”結(jié)構(gòu)通過依靠流體自身的能量，在靜止的混合元件的作用下實現(xiàn)對冷卻材料與水的混配。該混合器由截面為正方形的彎曲流動通道和呈90°交替排列且扭轉(zhuǎn)成180°的螺旋葉片結(jié)構(gòu)組成。將混合裝置內(nèi)置于攪拌罐上部，在其主體上開設(shè)進(jìn)水口、加藥劑口、高吸水性聚合物加料口和預(yù)混合物料出料口，如圖2所示?！办o”結(jié)構(gòu)的設(shè)計在滿足加藥時效性的同時，在較低的能耗下使粉料達(dá)到了良好分散的效果，有效解決了高吸水性聚合物材料在加料時因分散不均勻遇水抱團(tuán)結(jié)塊的問題。

圖1 冷卻材料混配溶脹裝置示意

圖2 新型旋流靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)

裝置的工作原理是由進(jìn)水口切向進(jìn)入的消防水將加料口垂直落下的高吸水性聚合物材料沖散，材料在水與藥劑混合液的帶動下，經(jīng)過混合元件，通過撞擊交錯排列的螺旋葉片，使流體產(chǎn)生分流、合流、旋轉(zhuǎn)、變向等作用，得到的初步混合冷卻材料經(jīng)新型旋流靜態(tài)混合器出料口進(jìn)入攪拌罐內(nèi)進(jìn)行二次攪拌，實現(xiàn)均勻混合，并維持冷卻材料較低的黏度。裝置采用“動”、“靜”結(jié)合的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)固體粉料和多種液體介質(zhì)同時加注，避免集中落料造成結(jié)塊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致攪拌時長和耗能增加，兩次攪拌大大提高了高分子聚合物物料溶脹效率，使得生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量更加優(yōu)異。

3 新型旋流靜態(tài)混合器混合性能分析

3.1 建模與數(shù)值模擬

3.1.1

新型旋流靜態(tài)混合器的物理模型通過SolidWorks軟件建立，建模時對圖2所示的法蘭、高吸水性聚合物加料口和加藥劑口簡化處理?；旌掀鲝澢鲃油ǖ澜孛孢呴L97 mm、中心線直徑為400 mm，混合器內(nèi)布置9個混合單元，每個混合單元的直徑為95 mm、長徑比值為1，進(jìn)料口管徑為97 mm。由于新型旋流靜態(tài)混合器中混合單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分比較繁瑣，因此在利用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，選用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為1 062 992。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果顯示：網(wǎng)格的等尺寸斜率以及等角斜率集中在0.1～0.5(≤0.9)?？梢娋W(wǎng)格質(zhì)量較好，能夠滿足描述完整流場特征以及保證計算精度的要求。

3.1.2

目前在流體力學(xué)中，對二次流及與其主流相互作用的研究上常依賴于湍流模型預(yù)測精度。而標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在求解時對計算機硬件要求低，并且能很好地解決實際工程問題，因此選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型配合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行計算。數(shù)值求解壓力與速度耦合的方式應(yīng)用SIMPLE格式，動量守恒方程和壓力修正方程應(yīng)用二階迎風(fēng)格式，湍動能及湍動能耗散率應(yīng)用一階迎風(fēng)格式，松弛因子采用FLUNET中的推薦值，為了保證新型旋流靜態(tài)混合器單元結(jié)構(gòu)模型計算準(zhǔn)確性，將殘差設(shè)為10。

3.1.3

選用水作為研究介質(zhì)，常溫常壓下動力黏度為1.01×10Pa·s，密度為1 000 kg/m。邊界條件分別設(shè)置速度入口和壓力出口，入口速度為2 m/s，出口壓力為0；固壁邊界條件將新型旋流靜態(tài)混合器的彎曲管壁以及混合單元壁面均設(shè)置為無滑移光滑絕熱壁面。

3.2 計算結(jié)果與分析

3.2.1

周佳等對180°方形截面彎管的流動特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明流體的速度由進(jìn)口到出口逐漸變小，且由于受到壓力梯度的影響內(nèi)側(cè)壁面速度高于外側(cè)壁面，由此可知單純彎管內(nèi)的流場速度分布較為單一。如圖3、圖4所示，混合單元的加入，使得彎曲流動通道內(nèi)的流場產(chǎn)生了周期性的流向變化。這是由于流體流動過程中，不僅圍繞扭轉(zhuǎn)180°螺旋葉片做回轉(zhuǎn)運動，而且由于相鄰混合單元的旋向相反以及排列方式呈90°交替排列，導(dǎo)致流體的運動方向不斷發(fā)生改變。以上結(jié)構(gòu)大大提高了原彎曲流動通道內(nèi)二次渦流的強度，使得混合器內(nèi)的流體被全面的擾動，有效提高了混合能力。

圖3 水平中間面的切向速度、徑向速度和軸向速度云圖

圖4 垂直中間面的切向速度、徑向速度和軸向速度云圖

比較速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，在新型旋流靜態(tài)混合器內(nèi)，切向速度的變化最大，速度峰值可達(dá)入口速度的1.5倍。切向速度越大，說明渦流產(chǎn)生了強剪切力作用于流體上，因此混合效果越好。徑向速度和軸向速度的變化小于切向速度，但在螺旋葉片處均得到了提高。如圖5所示，(a)～(e)分別為第1～5個左旋螺旋葉片中間截面速度矢量圖。通過沿主流方向各左旋螺旋葉片中間截面速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，在截面中心形成了一對與螺旋葉片旋向一致的順時針渦流，這是流體繞螺旋葉片做回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的。除此之外，在截面的左下角和右上角，形成了一對與中心渦流旋向相反的逆時針渦流，這是流體受彎曲流動通道曲率和混合單元共同影響所產(chǎn)生的。在中心順時針渦流和壁面逆時針渦流共同作用下，中心與壁面流體之間的互相移送能力得到加強，進(jìn)一步提高徑向混合能力。

3.2.2

湍流擴(kuò)散是湍流的一個最基本特點，是衡量靜態(tài)混合器湍流混合能力的重要指標(biāo)。通過研究新型旋流靜態(tài)混合器內(nèi)湍動能大小和分布的影響因素，可以尋找提高混合器流體湍流擴(kuò)散能力的方法，從而增強混合器的混合性能。

如圖6所示，流體在前3個混合單元處的湍動能變化最大，數(shù)值大小增加近百倍，在第4個混合單元后湍動能維持在一個較高的數(shù)值范圍內(nèi)且呈周期性變化，說明混合單元的加入對提高湍動能有重要的作用。此外在每個混合單元入口處均引起很大的湍動能值，表明將足夠的湍動能分配給了流體的交界面處，兩股流體在此處產(chǎn)生了強烈的湍流脈動，這樣將很大程度地提高混合能力。在入口速度2 m/s相同的條件下，改變混合器內(nèi)混合單元的數(shù)量，比較湍動能數(shù)值變化。如圖7所示，平均湍動能隨彎曲流動通道內(nèi)混合單元數(shù)量的增加緩慢變大，因此增加混合單元數(shù)量可以提高新型旋流靜態(tài)混合器混合性能。如圖8所示，在彎曲流動通道內(nèi)混合單元數(shù)量保持9個不變的條件下，可以發(fā)現(xiàn)入口速度對混合性能同樣具有重要影響。隨著入口速度的增加，平均湍動能增大。說明入口速度越大，新型旋流靜態(tài)混合器內(nèi)的湍動越劇烈，混合能力越強。

圖5 沿主流方向左旋螺旋葉片中間截面速度矢量圖

圖6 新型旋流靜態(tài)混合器湍動能分布

圖7 混合單元數(shù)量對平均湍動能的影響

圖8 入口速度對平均湍動能的影響

但是較多混合單元數(shù)量和較大的入口速度必然造成能量的損失。如圖9和圖10所示，壓力降的變化與混合單元數(shù)量呈現(xiàn)正比例關(guān)系，數(shù)量越多，壓力損失越大。壓力降與入口速度大小近似呈幾何級數(shù)的增長，速度低時，增長幅度較為緩慢；速度高時，增長幅度顯著。因此在滿足混合性能要求的前提下，需要充分考慮節(jié)能目標(biāo)。

圖9 混合單元數(shù)量對壓力降的影響

圖10 入口速度對壓力降的影響

綜合以上分析，入口速度為2 m/s的條件下，在新型旋流靜態(tài)混合器內(nèi)設(shè)置8個混合單元時的混合效果最佳。雖然此時混合器內(nèi)的壓力降較大，但是隨著混合單元個數(shù)的增加，平均湍動能數(shù)值增幅依然顯著，有利于提高混合效率。但是當(dāng)混合單元增加到9個時，平均湍動能數(shù)值的增幅已趨于平緩，對混合性能的提高并不明顯，且此時壓力降已達(dá)到22 kPa，超過允許壓力降，耗能隨之增加。除此之外入口速度比混合單元數(shù)量對平均湍動能和壓力降的影響更大。因此，對于混合器的優(yōu)化，通過在結(jié)構(gòu)上布置較多的混合單元數(shù)量且在操作上適度減小入口速度，可以提高新型旋流靜態(tài)混合器的工作效率。

4 結(jié)論

高吸水性聚合物冷卻材料噴涂裝置通過攪拌罐、新型旋流靜態(tài)混合器“動”、“靜”組合的方式，實現(xiàn)了多種物料的在線同步混合，提高了高分子聚合物材料的溶脹效率。模擬結(jié)果表明，新型旋流靜態(tài)混合器產(chǎn)生的螺旋流切向速度大，有助于高吸水性聚合物材料在強剪切力作用下的混合；在垂直于主流的截面上，形成了有利于徑向混合的兩對旋向相反的渦流；通過增加混合單元數(shù)量，適度減小入口速度，有助于提高新型旋流靜態(tài)混合器的工作效率。

該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、耗能少的特點，但是裝置體積大、較為笨重，僅能進(jìn)行定點噴涂作業(yè)。要想滿足在火災(zāi)情況下實現(xiàn)對周邊儲罐及時、全方位的保護(hù)，裝置還需要朝著智能化、輕便化方向改進(jìn)，進(jìn)一步提高裝置的混配與噴涂性能。