研究数值模拟在反应塔冷却系统设计中的应用

李丹张骞泽

（1.中国石油辽阳石化分公司芳烃厂， 辽宁 辽阳 111000；2.中国石油辽阳石化分公司热电厂，辽宁 辽阳 111000）

研究数值模拟在反应塔冷却系统设计中的应用

李丹1张骞泽2

（1.中国石油辽阳石化分公司芳烃厂， 辽宁 辽阳 111000；2.中国石油辽阳石化分公司热电厂，辽宁 辽阳 111000）

反应塔冷却系统在工作中有着非常重要的作用，本文首先要介绍了数据模拟的建立，然后深入探讨了其计算结构与分析，通过这些内容更好的得出数值模拟在反应塔冷却系统设计中的应用效果。希望这些内容能够为工作人员设计反应塔冷却系统提供一定帮助。

数值模拟；反应塔；冷却系统设计

0 引言

闪速炉是一种冶炼设备，能够高效处理一些粉状硫化矿物。这种设备主要由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池以及上升烟道四个部分组成。反应塔主要位于沉淀池的上方，其中进行熔炼反应。反应塔的长期环境都是高温，受到烟气与熔体的双重冲涮，会受到比较严重的腐蚀。工作人员为了减少反应塔受到的损害，使用冷却系统对反应塔进行降温。现对反应塔冷却系统设计中的数值模拟情况进行分析，并总结如下。

1 数值模拟的建立

反应塔中的反应过程非常复杂，尤其是高温烟气与炉外空气之间的热传递，其中发生的反应是高温烟气与炉体内壁的对流，内部温度的平衡，以及辐射换热等。反应塔中这种反应，需要热量的相互传递，还会受到内部材料热量的影响。冷却系统的作用，能够实现冷却水与冷却元件之间的热量置换［1］。这个过程具有结构和传热机理方面的对称性，从实际上分析冷却单元之间，并没有热量的转换。

工作人员要通过炉体冷却单元进行建模，其三维模型要采用fluent软件进行计算。在本次研究中，主要应用的模型是热传导模型，选取控制容积法进行运算。该模型的研究对象是反应塔炉体，要深入分析其对称性，然后选取一半冷却单元作为研究对象，分析需要求解的集合模型，对几何模型网格划分进行分析。

2 计算结果与分析

工作人员要在实际生产中，选取常用的工艺参数冷却水量2.5t/h（对应进水速度为1.5m/s），进水温度为25℃。基于此，要进行分析和计算，建立冷却单元三维数值模型，分析求得Z=0面的温度场分布。

从计算结果进行分析，冷却单元的冷却效果良好，工作人员不仅能对冷却元件进行局部设置，还能够控制冷却元件周围的耐火材料区域温度。针对冷却元件和烟气接触面的温度，冷却元件具有较好的降温效果，能够促进内壁挂渣的形成。这是冷却元件常使用的功能之一。在实践中，低温区域能够延长耐火材料的寿命，并促进反应塔挂渣的形成，确保反应塔得到更好的保护。

工作人员在数值的模拟计算中，还能得出冷却水的出水温度为31.4℃，温升为6.4℃。根据这个冷却水热量，其释放了8876W，冷却单位损失的热量为8900，冷却水带出热量占总的热损失量的99.73%。根据此，冷却单元的热量主要是被冷却水带走，很少会通过外壁散热，所以在冷却系统设计中，冷却水带出热量的计算非常重要。在这个过程中，要促使钢板维持在较高的温度，不会影响反应塔的使用性能［2］。

冷却水带出的热量，会因为冷却水的进水速度的增大而增大。但是这种增加的情况比较微小，很难分辨。尤其在冷却水进水速度将至0.525m/s以下，冷却水带出热量一直恒定。

由此可以得知，冷却强度会随着冷却水量的变化保持不变，从Q=cmΔt可知，冷却水的出水与进水温差与冷却水的进水量成反比。上图的曲线，符合这种比例关系。工作人员在冷却水的进水速度减少的情况下，要把握冷却水进水温差和出水温差，避免水温过高。所以在冷却系统的设计中，不能将冷却水量设计的太小［3］。冷却水带出热量与冷却水进水温度的关系，工作人员能够推测出，冷却水进水温度的增加，会降低冷却水带出热量减小。如果减小的幅度比较小，或是温度没有变化，那么冷却单元的冷却强度会随着冷却水温度的变化保持不变。

3 结语

数值模拟在反应塔冷却系统设计中，要进行建模计算，更加准确研究冷却系统，主要的结果是冷却单元的效果较好，能够促进反应塔内壁挂渣的形成。冷却水会带走冷却系统的散热损失，关键是设计与计算冷却单元冷却水温升带出热量。工作人员针对冷却系统的总循环水量与温升，以及冷却单元的冷却强度与冷却水的进水温度，都需要深入的分析，找准关系，增加冷却强度。在本次研究中模型忽略了反应塔内壁挂渣的影响，挂渣的形成机理以及挂渣对反应塔冷却系统的影响，所以在反应塔的冷却系统研究中，要将其当作下一步工作。

［1］熊宗维.数值模拟在反应塔冷却系统设计中的应用［J］.有色冶金设计与研究，2014，02:15-17.

［2］郑婧玲，吴宏武.塑料型材挤出定型冷却系统设计的数值模拟概述［J］.塑料工业，2011，10:12-16.

［3］赵宁，沈伯雄，杨晓燕，刘亭.烟气选择性催化还原脱硝的数值模拟研究进展［J］.化工进展，2010，11:2165-2170.