吳國忠，白浩然，楊顯志，齊晗兵，李 棟

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尿素造粒塔內(nèi)熱環(huán)境仿真研究

吳國忠1，白浩然1，楊顯志2，齊晗兵1，李 棟1

（1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 遼河油田公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124000）

以尿素造粒過程的原理為基礎(chǔ)，采用Fluent軟件對尿素造粒塔內(nèi)熱環(huán)境進行數(shù)值模擬。連續(xù)相采用歐拉方法，分散相采用拉格朗日法，連續(xù)相與分散相進行耦合計算。在物性參數(shù)的設(shè)置中，尿素采用修改比熱容的方法，空氣的自然對流采用波西涅斯克(Boussinesq)假設(shè)。分析得到造粒塔內(nèi)空氣溫度速度分布。得出空氣在造粒塔內(nèi)的速度和溫度在造粒塔內(nèi)的變化情況。

尿素；造粒塔；FLUENT；熱環(huán)境；空氣

對于直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)肥料的尿素幾乎都是來自于造粒塔的造粒設(shè)備。中國的造粒塔大都是自然通風(fēng)造粒塔，并且尿素造粒塔是生產(chǎn)尿素的重要設(shè)備之一。造粒塔塔高，半徑大，塔內(nèi)空氣速度流動較慢，對空氣的污染小。造粒塔是尿素生產(chǎn)流程中最后一個主要生產(chǎn)裝置。造粒原理是將高溫熔融的尿素用泵送至噴頭，從高處噴頭噴出并均勻灑落，在空中與從塔底進入的逆流冷空氣進行熱量交換，熱空氣由塔頂內(nèi)風(fēng)道排出，熔融尿素溫度急劇降低，結(jié)晶成顆粒狀，在塔底收集尿素顆粒。在此過程中，造粒塔內(nèi)熱環(huán)境是保障尿素產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而通風(fēng)技術(shù)是實現(xiàn)塔內(nèi)熱環(huán)境的核心。近年來，隨著大慶石化公司化肥廠擴能工作的有序開展，尿素產(chǎn)量提升到一個新的臺階。但是，隨著擴能工作的深入，尿素造粒塔處于超負(fù)荷運行狀態(tài)，而原有通風(fēng)方式不能滿足新的工作負(fù)荷需求，造成產(chǎn)尿素顆粒強度低、易形成粉塵或板結(jié)，從而嚴(yán)重影響尿素的產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著計算流體動力學(xué)(CFD) 的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。結(jié)合尿素造粒塔熱環(huán)境理論研究，利用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué)）仿真模擬造粒塔內(nèi)熱環(huán)境。對于自然通風(fēng)冷卻對流的計算大多采用宏觀的經(jīng)驗公式對傳遞參數(shù)進行估算，而忽略了微尺度條件的傳遞特性。且經(jīng)驗公式多針對特定的物系和特定的操作范圍，普適性較差。以此獲得的工藝參數(shù)與實際往往存在較大偏差，由此增加物能消耗，加重環(huán)境負(fù)擔(dān)。

本文討論和分析造粒塔內(nèi)的空氣流動，為尿素造粒塔通風(fēng)改造提供參考。

1987年，李珊[1]用數(shù)學(xué)模型理論分析了造粒塔內(nèi)熱交換及顆粒運動規(guī)律。得出塔的噴淋高度和粒徑的平方成正比。2005年，柴美厚[2]等人對在自然對流下液相的凝固過程進行了數(shù)值模擬的分析，認(rèn)為液相部分的自然對流在凝固過程中改變了相界面形狀和推進速度。1993年，Constantine M. Megaridis[3]對在高溫對流條件下液滴的蒸發(fā)進行了實驗及數(shù)值研究，建立了相關(guān)的數(shù)值模型，獲得了液滴內(nèi)部的流場信息及溫度分布。2010年，C. Anandharamakrishnan[4]等利用修改比熱容方法近似模擬顆粒下降過程中的相變，對噴霧冷凍干燥過程進行了數(shù)值模擬。1999年，賀華[5]等分析了大顆粒下落的運動過程。得出大顆粒尿素其本身熱值就比小顆粒的高，而下降的時間卻比小顆粒的少的結(jié)論。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型及參數(shù)

造粒塔是鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。造粒塔的高度為68 m，筒體的直徑為20 m。由于塔頂熱壓作用，空氣由造粒塔下部的進風(fēng)口進入，經(jīng)過尿素顆粒加熱升溫后從上部出風(fēng)口排出。造粒塔總共有22個進風(fēng)口，由18個大尺寸進風(fēng)口和4個小尺寸進風(fēng)口組成，其中有毗鄰電梯通道的2個小進風(fēng)口關(guān)閉，在造粒塔的西面一個大門，造粒塔在工作時，大門是緊閉的。其中22個進風(fēng)口的位置不是關(guān)于造粒塔的軸線對稱的。造粒塔頂部有7個出風(fēng)口，由4個近似梯形的和3個近似扇形的出風(fēng)口組成，并且出風(fēng)口外側(cè)有遮風(fēng)罩（風(fēng)圍子）保護；造粒塔頂部設(shè)置噴淋室，側(cè)壁附屬電梯間。Gambit模型圖尺寸與實際造粒塔的尺寸相同。

圖1 尿素造粒塔原始模型圖

Gambit模型圖尺寸與實際造粒塔的尺寸相同。如圖1(a)中所示，模型中包含22個近似梯形的進風(fēng)口，一個筒體和帶有這風(fēng)罩的出風(fēng)口。模型的網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的方法。確定網(wǎng)格后并設(shè)置邊界條件，導(dǎo)入Fluent中添加物性參數(shù)。將造粒噴頭簡化成Cone模型，造粒塔的塔壁設(shè)置為wall，進風(fēng)口和出風(fēng)口均設(shè)為壓力入口和出口，根據(jù)現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)設(shè)置進風(fēng)口溫度為283 K(10 ℃)。熔融尿素的質(zhì)量流量為26.66 kg/s，溫度為413 K(140 ℃)。尿素從轉(zhuǎn)速為23.77 rad/s的噴頭射出。

1.2 計算過程

模擬采用DPM模型計算。離散方式采用控制容積有限差分法，連續(xù)相方程采用SIMPLE算法迭代求解，分散相用穩(wěn)態(tài)耦合計算。采用修改比熱容的方法近似尿素顆粒潛熱，造粒塔內(nèi)的空氣自然對流按波西涅斯克(Boussinesq)近似處理。

1.3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

根據(jù)圖2顯示造粒塔Y軸截面上溫度等值線呈規(guī)則的W形，出現(xiàn)兩處低谷和一處高峰。其主要原因是從噴頭噴出的尿素主要集中在距塔中心軸線大概3~6 m的區(qū)域（見圖4）?？諝馀c尿素接觸，溫度上升較快。造粒塔塔壁周圍和中心空氣與尿素接觸過少，熱交換不明顯，溫度變化不大。所以塔中心和塔壁周圍空氣的溫度低，3~6 m區(qū)域的溫度要比周圍溫度要高。噴頭下方空氣溫度達到最大值405 K(132 ℃)。在造粒塔底部由于入風(fēng)口位置不是規(guī)則的軸對稱，空氣溫度的等溫線在下部不是呈現(xiàn)出簡單的W形。

圖2 垂直于Y軸的截面空氣溫度云圖

圖3 不同高度橫截面的平均空氣溫度

從圖3中可看出：隨著造粒塔的高度升高，空氣的平均溫度隨之升高。曲線斜率隨橫截面高度升高而增大，說明空氣溫度的變化速率隨高度升高而增大。噴頭下方的溫度變化速率達到最大值。說明尿素進行熱交換的主要發(fā)生在造粒塔上方。出口氣溫達到357 K(84 ℃)。

從上圖4可看出，最大平均速度在接近造粒塔軸線的柱面上，可以達到1.2 m/s左右。造粒塔軸線半徑3~6 m的柱面空氣平均速度明顯低于造粒塔軸線。其原因是空氣在上升階段受到下落尿素顆粒的碰撞，增加了空氣上升的阻力。在上升的階段空氣與尿素進行熱交換。所以在下落尿素的路徑的上升空氣速度較小，而在圖2中，在同等高度的等截面上，尿素經(jīng)過的路徑的空氣溫度明顯高于塔壁周圍和造粒塔軸線溫度。在尿素噴口處的風(fēng)速達到最大。由于噴口處溫度高，熱交換劇烈，所以空氣溫度迅速上升。

圖4 不同半徑的柱面空氣平均速度

由圖5和圖6看出，進口風(fēng)速最大，塔內(nèi)空氣的速度較小，平均速度大約在0.6 m/s?？諝庠谶M入造粒塔后，由于造粒塔的橫截面積大于進出風(fēng)口面積，所以空氣在10~55 m高度造粒塔的橫截面中的速度小于靠近進出風(fēng)口的速度。從圖6中不難看出，

圖5 Y軸截面空氣的速度場云圖

圖6 不同高度的橫截面空氣平均速度

10~50 m高度的橫截面風(fēng)速一直保持在0.6~0.7 m/s之間?？諝膺M入造粒塔后，速度先降低趨于穩(wěn)定后，當(dāng)上升高度接近尿素噴口的時候，空氣速度迅速上升。

由圖7看出，冷空氣從塔底入風(fēng)口進入，在入風(fēng)口兩側(cè)和下部有小規(guī)模的渦流產(chǎn)生。在關(guān)閉的進風(fēng)口和大門處有較大的渦流產(chǎn)生，空氣碰到塔壁后沿著塔壁迅速上升。大部分空氣受到熱壓影響進入通風(fēng)口，進風(fēng)口處空氣速度指向塔內(nèi)斜向上。

圖7 造粒塔底部空氣速度矢量圖

2 結(jié)論

通過對造粒塔內(nèi)空氣和尿素的氣固兩相流的FLUENT仿真模擬，分析得出造粒塔內(nèi)的熱環(huán)境，空氣溫度和速度的分布。得出結(jié)論如下：

（1）合理布局Gambit中的網(wǎng)格數(shù)。網(wǎng)格數(shù)的多少，直接影響到Fluent的計算速度和誤差大小。

（2）造粒塔內(nèi)空氣溫度的變化，隨著造粒塔的高度越高，空氣溫度上升的速度越快，當(dāng)空氣接近造粒噴頭時，空氣溫度變化的速率達到最大。

（3）在造粒塔豎直方向的截面上，空氣溫度場的等溫線呈現(xiàn)規(guī)律的W形分布。在尿素降落的路徑上，空氣溫度明顯升高。

（4）根據(jù)造空氣的速度場可看出，空氣在造粒塔進風(fēng)口和出風(fēng)口的速度較大，塔內(nèi)的速度在0.6m/s左右。尿素顆粒的下落范圍在距造粒塔軸線3-6m。在不引起大范圍的粉塵的情況，可以適當(dāng)擴大尿素的噴灑面積。

［1］李珊.造粒塔內(nèi)熱交換及顆粒運動規(guī)律的實用分析[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報,1987, 21(4): 55-63．

［2］柴美厚.自然對流作用下的凝固過程數(shù)值模擬[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報, 2005, 28(6): 38-40．

［3］Constantine, M. Megaridis. Comparison between experimental measurements and numerical predictions of internal temperature distributions of a droplet vaporizing under high-temperature convective conditions[J]. Combustion and Flame. 1993, 93(3):287-302．

［4］C Anandharamakrishnan; J Gimbun;AGF, Stapley;CD, Rielly. Application of computational fluid dynamic (CFD) simulations to spray-freezing operations[J]. Drying Technology, 2010, 28(1): 94-102．

［5］賀華,丁文捷,周曉埜.噴淋造粒生產(chǎn)大顆粒尿素工藝[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2000,7(5):13-15．

Simulation Research on Internal Environment of Urea Prilling Tower

1，1，2，1，1

（1.School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, HeilongjiangDaqing 163318, China；2. Drilling Technology Research Institute of Liaohe Oilfield Company, Liaoning Panjin 124000, China）

On the basis of urea prilling principle, Fluent software was used to numerically simulate the internal environment in urea prilling tower. Euler's method was used to simulate continuous phase, Lagrange method was used to simulate the dispersed phase, and then coupling calculation of continuous phase and dispersed phase was carried out. In setting of physical parameters,modifying specific heat capacity method used for urea,Boussinesq method was used for natural convection of air. Temperature distribution and velocity distribution of air in the prilling tower were obtained as well as change of temperature and velocity of air in the prilling tower.

Urea; Prilling tower ; Fluent; Internal environment; Air

TQ 441.41

A

1671-0460（2014）06-0975-03

2013-12-05

吳國忠（1961-），男，黑龍江牡丹江人，教授，博士，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運專業(yè)，研究方向：供熱與熱能利用技術(shù)。E-mail：dqwgz@126.com。