喷淋式饱和器的三维参数化设计及其内部流场模拟(ljdh)

喷淋式饱和器的三维参数化设计及其内部流场模拟

穆传冰王庆丰章平李顺弟

（北京首钢国际工程技术有限公司焦化设计室北京 100043）

摘要：介绍了利用三维参数化机械设计软件对喷淋式饱和器进行了参数化建模设计，与传统的二维设计相比做到了精确表达尺寸和,直观的反映其结构特点，利用关键参数控制模型尺寸，可以依据化工工艺专业的需要进行快速精准设计,并基于该三维模型的设计成果利用流体分析软件对喷淋式饱和器的内部流场进行了数值模拟并对其结果进行了讨论。

关键词：喷淋式饱和器；三维参数化；设计；有限元；数值模拟

Three-dimensional Parametric Design and internal flow field

numerical stimulation of Spray Saturator

Mu-Chuanbing Wang-Qingfeng Zhang-Ping Li-Shundi

(Coking design division, Beijing Shougang International Engineering Technology Co., Ltd.

Beijing 100043, China)

Abstract: Introduced parametric modeling of Spray Saturator by three-dimensional design software, precision and intuitionist expressed dimension, and structure-characteristic compare with traditional two-dimensional drawing, dispensed with complex calculation by controlling model dimension used key-parameter, precision and rapid design according to the requirement of technique and engineering, carrying on numerical stimulation by using hydrodynamic analysis software according to this three-dimensional parametric model.

Key words: Spray Saturator; Three-dimensional Parametric; Design; FEM; Numerical stimulation

1 概述

喷淋式饱和器是焦炉煤气净化过程中半直接法生产硫酸铵的主要设备，自上世纪90年代由法国引进后，得到了广泛的应用，其材质一般选用316L超低碳不锈钢焊接制造，对于母液循环喷洒部分一般采用904L超级不锈钢制作,具有设备使用时间长，煤气系统阻力小，结晶颗粒大，硫酸铵质量好，工艺流程短，易操作等诸多优点[1]。但是由于其结构较为复杂，采用传统二维图纸对其结构的表达不够清晰和直观。在设备制造过程中，其复杂零件尺寸控制的问题也一直困扰着设备制造单位。

随着计算机技术的发展，三维参数化机械设计软件逐渐得到了广泛的应用，利用简单的几何约束关系和关键参数驱动就能完成设备的三维设计，并快速给出工程图，省去了传统二维制图复杂的投影关系的转换和尺寸计算，特别适用于喷淋式饱和器这种形状特殊复杂的结构设计。本文以某煤气净化回收工程设计的喷淋式饱和器为例进行三维参数化设计，并对其内部流场进行了数值模拟和与探讨。

2 喷淋式饱和器的结构

喷淋式饱和器一般分为上段和下段，上段为吸收室，下段为结晶室。两室间采用锥形封头隔开，吸收室又分为前室、环形区域和后室三部分，结晶室由外筒体和降液管组成，通过降液管与吸收室相连。在吸收室内置除酸器，除酸器为旋风分离器结构，由内外套筒两部分组成，外套筒开切线方向的方孔与吸收室

的后室相连通[1]。喷淋式饱和器的结构如图1所示：

(a）主视图(b）左视图(c）俯视图

图1 喷淋式饱和器的结构

由图1可以看出，使用二维工程图设计的喷淋式饱和器并不能清晰的表达其结构，二维工程图一般采用局部剖切视图等方法来分视图表达内部结构，但是往往效果不明显，过多的剖切视图会增加制造者按图施工的难度，特别是结晶室的后室与除酸器的外筒的连接部分更加难以清晰表达，对于设计单位和制造厂家而言都造成了困难，而且不能直观的表达出设备各部分准确位置关系。

3 喷淋式饱和器的三维参数化设计

3.1 设计参数的确定

三维参数化设计软件进行喷淋式饱和器的设计，首先需要找出该设备的主要几何参数和设备各部分的几何约束关系，由于设备的复杂性导致参数过多，表1中只列出设备外形尺寸的关键参数：

表1 喷淋式饱和器外形尺寸关键参数

名称外径D 壁厚t 长度L

煤气出口1220 8 250

结晶室4616 8 2785 除酸器外筒体3116 8 5335

除酸器内筒体1220 8 3875 降液管666 8 3875

锥体4616/666 8 1145

利用上述关键参数再结合各零部件之间几何约束关系和定位尺寸，使用拉伸和旋转等常规建模方式将设备的这几部分模型率先建立，饱和器结构最复杂的吸收室的后室与除酸器的外筒的连接部分是不规则曲面体，这部分的建模采用常规建模和三维曲面切割实体的方法得到，保证了后室的曲面与除酸器外筒体的相切，真实表达了该部分的结构。设备上的接管等零部件可以通过各自的几何参数和定位尺寸较为简单的生成，在建模过程中还要充分考虑各参数之间的关联关系，把握好参数间的关联才能真正做到参数化设计。

3.2 三维参数化设计的结果

经过上述步骤，可以得到如图2所示的三维参数化模型：

图2 喷淋式饱和器三维参数化模型

3.3 有关结果的讨论

从图2可以看出，利用三维设计软件的装配透视功能，设备内部的复杂结构可以得到清晰的表达，该模型可以通过参数的修改快速得到不同尺寸的模型结果，以满足化工工艺专业根据不同规模工程的设计选型的需求。和传统二维设计相比，设计精度更容易得到保证，基于该模型的工程图的尺寸和标注也可跟随参数的变化做相应的调整，省去了繁琐的尺寸修改和标注的过程，因此设计效率也得到了很大的提高。在设备制造过程中，可以将三维参数化模型中的各零部件分别输出快速给出工程图尺寸，作为设备零部件的下料尺寸，保证了制造精度。在设备零部件安装过程中，该模型可以进行爆炸分解，可以起到安装指导的作用。需要指出的是，该三维参数化模型未考虑零部件焊接尺寸的影响，为此在设计时留有尺寸裕量。在实际制造过程中需要制造单位依据相应的焊接标准规范等对焊接坡口尺寸进行设计和加工。

4 喷淋式饱和器内部流场的数值模拟

4.1 工艺参数的确定

根据工艺计算结果和实际生产条件，确定了工艺参数见表2所示：

表2 喷淋式饱和器的工艺参数

名称数值

煤气入口速度 m/s 15

煤气出口压强 Pa 2x104

参考压强 Pa 1x105

煤气温度℃70