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摘要：反应釜在使用的过程中极容易受到其他因素的影响而出现局部变形隐患，进而影响生产安全性与生产经济效益。在目前的反应釜釜体变形分析与改造工作中，通常都是采用CFD方法来对其内部存在的燃烧原理与热传递进行模拟分析，进而发现反应釜在燃烧中存在的各种隐患。通过采用CFD方法对反应釜釜体分析得出，在反应釜运行中其位于燃烧是出口壁有一部分存在着局部高温区，其正好与反应釜变形的位置相一致，这就说明反应釜釜体的变形是由于这一部位温度变异而造成的。通过CFD模拟结果进行分析，对燃烧器进行改造，并且拆除掉其中的一道挡火墙，从而在反应釜的变形表面涂膜一定的隔热层，通过一段时间的运行检查，并未曾发现其出现变形与温度变化，这就证明在工作中这种方法是且是可行的。本文就反应釜釜体变形采用CFD技术对釜内的燃烧情况及热传递值进行了模拟，分析了引起釜体变形的原因，并提出了相关的改进建议与方案。
关键词：CFD 反应釜 隔热层 釜体变形
反应釜是一种物理或者化学反应的容器，通过对容器的结构设计和相关参数的科学配置是实现工艺要求和预定实验设计的关键，一般都是在其中采用加热、蒸发、冷却以及高低速混合配用功能的主要设备。目前反应釜加热炉被广泛的应用在石油、化工、橡胶等工业制造业，其在工作中多数都是以物理和化学反应的方式来进行工作。经过过去多年的工作实践总结，某企业反应釜加热炉在工作的过程中下部正对燃烧室的釜体发生了凹陷变形，对生产安全和生产效率带来严重的影响，并影响了企业经济效益。本文主要结合这一实例对反应釜釜体变形分析与改进进行了全面深入的总结与探讨。
一、反应釜总体结构与用途
1、反应釜通常都是由釜体、传热装置、搅拌以及密封等部分组成。
1.1、釜体
在其运行的过程中釜体部分主要是物料进行化学、物理反应的空间，通常在制作的过程中都是有筒体与上下封头共同组成，一般情况下，釜体结构都是一个密封的形式，不过在企业运行的过程中也有时候采用敞开式，这种形式主要是以反应介质来规定的。
1.2、传热装置
传热装置主要是釜体内部或者外部设置一定的加热或者制冷设备，进而利用其进行传热、导热工作，通常这个部位都是与釜体的外部夹套或者内部蛇管相连接。
1.3、搅拌装置
为了能够确保材料反映充分、均匀，一般在设置的过程中都是需要设定一定的搅拌装置，这也是保证混合材料均匀，彼此接触良好的关键。一般情况下，搅拌装置通常都是由搅拌轴和搅拌器两部分组成，其搅拌轴主要是随着电动机的转动来进行运转，进而带动搅拌轴对釜体内部材料进行搅拌。
1.4、由于搅拌轴是动的，而釜体封头是静的，所以在搅拌轴伸出之处必需进行密封（轴封），轴封的作用是保持设备内的压力（或真空度），防止反应物料逸出和杂质渗入。轴封通常采用填料密封或机械密封。
二、反应釜改造前的CFD分析
1计算模型及网格
本文利用Gambit软件建立了反应釜三维计算模型，并划分了61万六面体网格。离散方程的求解采用大型商用软件FLUENT进行。反应釜炉膛内流动为充分发展的湍流，因此炉内流动采用标准远远大于1．因此烟气与壁面的辐射换热采用P1模型计算，可以用较小的计算时间得到相对可靠的结果。
本文主要分析炉膛内烟气与反应釜壁面的辐射及对流传热，对具体燃烧机理不做深人研究，且计算网格比较多，因此燃烧模拟采用计算量相对较小的PDF模型。考虑到现场工业装置的复杂性，CFD模拟的初衷就是为工业设备提供一个定性结论，准确的定量计算目前还只能在一些简单的实验模型上得到。因此本文根据现场经验确定边界条件数值，在所有模拟计算中采用相同的边界条件，将得到的结果进行对比，可以得到一个定性的结论。
焦炉煤气和空气均为常温，燃气采用速度进口边界条件，流量20m3／h，计算得到燃气喷孔速度79m／s。空气为自然吸风，其入口采用压力入口，压力为大气压（表压0Pa）。出口采用压力出口边界条件，出口压力60Pa。炉膛及反应釜壁面满足无滑移边界条件，近壁处应用标准壁面函数处理。炉膛壁面热流量设定为一200W／m2，用于模拟散热损失。炉膛内壁面为耐火砖，发射率设定为0．85。目前的CFD技術还难以对反应釜内沥青的搅拌及流动过程进行准确模拟，因此本文不模拟反应釜内沥青的流动及内部传热。沥青与反应釜壁面的换热主要是对流换热，本文通过给定釜内沥青的温度（673K）及沥青与反应釜表面的对流换热系数（13000W／（m2？K））来模拟沥青与反应釜之间的传热。
2 CFD结果与分析
为反应釜燃烧器所在截面上的温度分布，可以看出由于燃烧器设计不合理，空气和煤气混合情况不佳，燃烧火焰过长。由于空气和煤气到达挡火墙时仍未完全混合燃烧，因此挡火墙不但未起到预期的作用，反而影响了煤气的燃烧。火焰经过两道挡火墙后直接冲刷反应釜壁面，导致燃烧室出口处的反应釜外表面出现局部高温区。
以上模拟结果与现场观测结果是一致的：燃烧器结构及炉膛挡火墙设计不合理使得空气与燃气混合不好，火焰拉长，燃烧效率及温度降低，现场观测的现象是燃烧室内发红且火焰偏软无力；燃烧后的高温烟气出燃烧室后直接冲刷反应釜壁面，形成一个冲击射流，冲击射流的对流换热系数高，同时此处烟气温度也最高，因此导致此处的壁面温度高。
三、反应釜改进方案
1、反应釜改进方案
根据CFD模拟计算结果，第一道挡火墙影响燃烧，因此改进方案中将第一道挡火墙拆除，增大燃烧室空问，使燃料充分燃烧后再经过第二道挡火墙进入炉膛与反应釜换热。原燃烧器结构也不够合理。为提高燃烧器调节范围，将燃料分为一次煤气和二次煤气。低负荷时只打开一次煤气，使煤气在低负荷时也有足够的喷射速度，保证与空气的混合，高负荷时再打开二次燃料。空气分为中心风、一次风、二次风三股与燃料混台，增大了煤气和空气的接触面积，强化混合。同时燃烧器加装调节风门，随着煤气流量变化调节供风量，保证良好的风燃比。
2、改进方案的模拟
为进行直接对比，对改进方案进行模拟时采用与改造前相同的边界条件。改进后中心截面的温度分布，可见燃烧器改进后火焰缩短，刚性增强。相对火焰峰值温度由1860K增加到2050K，说明燃烧状况得到明显改善。去掉一道挡火墙后，增大了燃烧空间，煤气与空气得以充分混合并燃烧，煤气在挡火墙前已经燃烧完全。
四、结论
通过CFD方法对反应釜的燃烧和传热情况进行了模拟分析，结果显示反应釜壁面在燃烧室出口处存在一个局部高温区，与变形部位正好一致，说明反应釜变形主要是由于局部超温引起的。采用改善燃烧器结构，拆除一道挡火墙，并在反应釜变形部位加上一层隔热耐火材料的方法对反应釜进行了改造，CFD和实际运行结果均证明该改造方案是成功的。CFD方法成本低、周期短，并且可以得到一些现场无法得到的数据，在工业炉燃烧与传热分析领域有很好的应用效果。
关键词：CFD 反应釜 隔热层 釜体变形
反应釜是一种物理或者化学反应的容器，通过对容器的结构设计和相关参数的科学配置是实现工艺要求和预定实验设计的关键，一般都是在其中采用加热、蒸发、冷却以及高低速混合配用功能的主要设备。目前反应釜加热炉被广泛的应用在石油、化工、橡胶等工业制造业，其在工作中多数都是以物理和化学反应的方式来进行工作。经过过去多年的工作实践总结，某企业反应釜加热炉在工作的过程中下部正对燃烧室的釜体发生了凹陷变形，对生产安全和生产效率带来严重的影响，并影响了企业经济效益。本文主要结合这一实例对反应釜釜体变形分析与改进进行了全面深入的总结与探讨。
一、反应釜总体结构与用途
1、反应釜通常都是由釜体、传热装置、搅拌以及密封等部分组成。
1.1、釜体
在其运行的过程中釜体部分主要是物料进行化学、物理反应的空间，通常在制作的过程中都是有筒体与上下封头共同组成，一般情况下，釜体结构都是一个密封的形式，不过在企业运行的过程中也有时候采用敞开式，这种形式主要是以反应介质来规定的。
1.2、传热装置
传热装置主要是釜体内部或者外部设置一定的加热或者制冷设备，进而利用其进行传热、导热工作，通常这个部位都是与釜体的外部夹套或者内部蛇管相连接。
1.3、搅拌装置
为了能够确保材料反映充分、均匀，一般在设置的过程中都是需要设定一定的搅拌装置，这也是保证混合材料均匀，彼此接触良好的关键。一般情况下，搅拌装置通常都是由搅拌轴和搅拌器两部分组成，其搅拌轴主要是随着电动机的转动来进行运转，进而带动搅拌轴对釜体内部材料进行搅拌。
1.4、由于搅拌轴是动的，而釜体封头是静的，所以在搅拌轴伸出之处必需进行密封（轴封），轴封的作用是保持设备内的压力（或真空度），防止反应物料逸出和杂质渗入。轴封通常采用填料密封或机械密封。
二、反应釜改造前的CFD分析
1计算模型及网格
本文利用Gambit软件建立了反应釜三维计算模型，并划分了61万六面体网格。离散方程的求解采用大型商用软件FLUENT进行。反应釜炉膛内流动为充分发展的湍流，因此炉内流动采用标准远远大于1．因此烟气与壁面的辐射换热采用P1模型计算，可以用较小的计算时间得到相对可靠的结果。
本文主要分析炉膛内烟气与反应釜壁面的辐射及对流传热，对具体燃烧机理不做深人研究，且计算网格比较多，因此燃烧模拟采用计算量相对较小的PDF模型。考虑到现场工业装置的复杂性，CFD模拟的初衷就是为工业设备提供一个定性结论，准确的定量计算目前还只能在一些简单的实验模型上得到。因此本文根据现场经验确定边界条件数值，在所有模拟计算中采用相同的边界条件，将得到的结果进行对比，可以得到一个定性的结论。
焦炉煤气和空气均为常温，燃气采用速度进口边界条件，流量20m3／h，计算得到燃气喷孔速度79m／s。空气为自然吸风，其入口采用压力入口，压力为大气压（表压0Pa）。出口采用压力出口边界条件，出口压力60Pa。炉膛及反应釜壁面满足无滑移边界条件，近壁处应用标准壁面函数处理。炉膛壁面热流量设定为一200W／m2，用于模拟散热损失。炉膛内壁面为耐火砖，发射率设定为0．85。目前的CFD技術还难以对反应釜内沥青的搅拌及流动过程进行准确模拟，因此本文不模拟反应釜内沥青的流动及内部传热。沥青与反应釜壁面的换热主要是对流换热，本文通过给定釜内沥青的温度（673K）及沥青与反应釜表面的对流换热系数（13000W／（m2？K））来模拟沥青与反应釜之间的传热。
2 CFD结果与分析
为反应釜燃烧器所在截面上的温度分布，可以看出由于燃烧器设计不合理，空气和煤气混合情况不佳，燃烧火焰过长。由于空气和煤气到达挡火墙时仍未完全混合燃烧，因此挡火墙不但未起到预期的作用，反而影响了煤气的燃烧。火焰经过两道挡火墙后直接冲刷反应釜壁面，导致燃烧室出口处的反应釜外表面出现局部高温区。
以上模拟结果与现场观测结果是一致的：燃烧器结构及炉膛挡火墙设计不合理使得空气与燃气混合不好，火焰拉长，燃烧效率及温度降低，现场观测的现象是燃烧室内发红且火焰偏软无力；燃烧后的高温烟气出燃烧室后直接冲刷反应釜壁面，形成一个冲击射流，冲击射流的对流换热系数高，同时此处烟气温度也最高，因此导致此处的壁面温度高。
三、反应釜改进方案
1、反应釜改进方案
根据CFD模拟计算结果，第一道挡火墙影响燃烧，因此改进方案中将第一道挡火墙拆除，增大燃烧室空问，使燃料充分燃烧后再经过第二道挡火墙进入炉膛与反应釜换热。原燃烧器结构也不够合理。为提高燃烧器调节范围，将燃料分为一次煤气和二次煤气。低负荷时只打开一次煤气，使煤气在低负荷时也有足够的喷射速度，保证与空气的混合，高负荷时再打开二次燃料。空气分为中心风、一次风、二次风三股与燃料混台，增大了煤气和空气的接触面积，强化混合。同时燃烧器加装调节风门，随着煤气流量变化调节供风量，保证良好的风燃比。
2、改进方案的模拟
为进行直接对比，对改进方案进行模拟时采用与改造前相同的边界条件。改进后中心截面的温度分布，可见燃烧器改进后火焰缩短，刚性增强。相对火焰峰值温度由1860K增加到2050K，说明燃烧状况得到明显改善。去掉一道挡火墙后，增大了燃烧空间，煤气与空气得以充分混合并燃烧，煤气在挡火墙前已经燃烧完全。
四、结论
通过CFD方法对反应釜的燃烧和传热情况进行了模拟分析，结果显示反应釜壁面在燃烧室出口处存在一个局部高温区，与变形部位正好一致，说明反应釜变形主要是由于局部超温引起的。采用改善燃烧器结构，拆除一道挡火墙，并在反应釜变形部位加上一层隔热耐火材料的方法对反应釜进行了改造，CFD和实际运行结果均证明该改造方案是成功的。CFD方法成本低、周期短，并且可以得到一些现场无法得到的数据，在工业炉燃烧与传热分析领域有很好的应用效果。