硫熏中和器性能影响因素的数值模拟研究

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硫熏中和器是亚法糖厂中清净工段用到的一个设备,其实质是一个喷射器装置。通过蔗汁的高速射流形成的真空将硫气吸入,与后续加入石灰乳反应生成亚硫酸钙,利用亚硫酸钙的吸附作用将混合汁中非糖分杂质清除,以便在后续固液分离中分离出清澈透明、色浅的清汁。硫熏中和器的工作性能好坏,会直接影响到最终产品的质量和糖份收回,因而有必要对其进行深入的研究。近年来CFD技术的快速发展,以其成本低、速度快、精度高、可靠性好、资料完备且可模拟各种不同的工况等等诸多优点,在各个工程设计领域广泛运用。特别地,在喷射器的设计研究上,也得到了长足的发展。研究发现利用CFD技术可以很好的对喷射器内的流场进行高精度模拟,模拟结果给出了试验中无法获得的一些流场信息,这使得喷射器的设计更加符合实际生产中应用,促进了喷射器在化工领域的应用。但是作为蔗糖生产中关键设备的硫熏中和器的设计研究,仍然以传统的经验关系式发为主。本文利用CFD软件Fluent对硫熏中和器进行数值模拟,探讨关键几何机构对其性能的影响。首先,建立了描述硫熏中和器内部两相流的控制方程,并且给出了数值模拟的详细过程,包括:计算区域的离散、控制方程的离散、代数方程的求解以及控制方程组的求解顺序和流程。结果验证表明本文所建立的数值模拟方法可靠度较高,可以用于对硫熏中和器性能研究。本文以抽吸系数为主要的评价指标,同时参考模拟得到速度分布和压力分布等流场信息,对硫熏中和器的几何结构参数,包括喉管直径、喉管长度、尾管直径、尾管长度、硫气入口直径、射流长度等的影响进行了研究,结果如下:(1)在尾管直径一定时,抽吸系数随喉部直径的增大而增大。当尾管直径为200mm,喉管直径为150mmm时抽吸系数为10.04,比90mm时的6.93增长了44.9%。(2)抽吸系数随着喉管长度的增加而减小,喉管长度为0.5m时,抽吸系数为6.78,比Om时的8.31下降下降了18.4%。(3)当喉管直径一定时,抽吸系数和喉管内气相速度随着尾管直径的增大而增大,但是这种增大的趋势逐渐变缓。(4)抽吸系数随尾管的长度增加而增大,但增大速率逐渐变小。尾管长度10m的抽吸系数为8.11,比尾管长度Om时(4.23)增大了91.7%,其中尾管长度由0至增加至7m时(7.65)抽吸系数的增长占据80.8%。当尾管长度较小时,喉管中的静压变化也较小,并且最小静压值随着尾管长度的增加而增大(5)硫气进入抽吸室的速度随气体入口直径增加而减小,但抽吸系数呈现线性增加的趋势,入口直径为150mm时抽吸系数为14.27,比入口直径为50mm时的7.04增加了102.7%。(6)硫气入口的设置位置对抽吸系数影响很小,基本可以忽略。(7)抽吸系数随抽吸室直径的增大而线性减小。抽吸室直径1200m时,抽吸系数为6.93,比抽吸室直径400m的7.44减小了6.8%。(8)当扩散管长度为Omm和100mm时,所对应角度分别为90.0°和48.60,其抽吸系数要比其他角度的要小;而扩散管长度从200mm增长到500mm时(即扩散角小于22°),抽吸系数稍微有一些增加,但是增大幅度很小。(9)抽吸系数随射流长度的增加先增加后减小。(10)蔗汁速度越大,硫熏中和器的抽吸系数越大,对于本文模拟的硫熏中和器的几何结构参数下,将蔗汁速度取值为24.56-18.05m/s时是比较理想的,可以适当将喷嘴直径设置得大一些。
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