储罐冷却材料喷涂装置的设计与优化

郑 森,袁纪武,赵祥迪,张日鹏,郭建章

(1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061 2.中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266104)

1 储罐冷却材料喷涂装置研究背景

随着我国经济持续快速增长，对石油的需求逐年攀升，储罐的数目也随之增加，目前储罐区朝着大型化和巨型化方向发展，储罐内燃料多具有易燃易爆的特性，因此储罐区火灾爆炸事故频发。研究表明储罐火灾具有蔓延速度快、热释放速率高和热辐射强度高等特点，容易导致相邻罐发生火灾爆炸事故，从而使事故扩大，造成严重的经济损失和环境污染，甚至危害生命安全。

当前，对火灾情况下相邻罐的保护技术有很多：①设置防火堤和罐间最小防护距离，此类措施很难阻止事故蔓延；②采用冷却水喷淋，但是该方法造成水资源浪费，且存在污染环境，不利于现场开展救援等问题。因此需要选择更安全环保的罐区相邻罐冷却保护技术。

高吸水性聚合物冷却材料具有吸水和保水能力强、高效冷却的特点。在火灾情况下，将冷却材料喷涂到储罐表面，对罐体形成冷却保护层，从而起到冷却降温的作用。冷却材料是由高吸水性聚合物与多种试剂混合形成，使用时与水按一定比例混配，混合液是一种假塑性流体，具有触变性。冷却材料的混配喷涂存在以下问题：①冷却材料遇水易形成“团聚”现象，导致微团内部不能溶胀；②冷却材料溶胀较慢，在快速搅拌的情况下仍需要较长的溶胀时间；③混配溶胀好的冷却材料在静止时的黏度数值变大，流动性能变差。为了解决上述问题，设计了一套“动”、“静”结构结合的冷却材料混配溶胀喷涂装置，并对所设计的新型旋流静态混合器的混合性能进行了优化。

2 冷却材料混配装置设计

高吸水性聚合物冷却材料混配溶胀喷涂装置分为“动”、“静”两个部分，结构如图1所示。“动”结构通过依靠外部动力源驱动机械转动实现冷却材料与水的混配溶胀。搅拌罐是化工固液混合常用的装置，该装置的搅拌器适用于对高黏度流体混合搅拌的开启涡轮式搅拌器。在搅拌过程中既有轴向流也有径向流，这有利于对固液物料进行混合，同时维持冷却材料的触变性能，保持冷却材料较低的黏度，以便于管路运输和喷涂作业。因此“动”结构可以解决冷却材料静置时流动性能变差的问题。“静”结构通过依靠流体自身的能量，在静止的混合元件的作用下实现对冷却材料与水的混配。该混合器由截面为正方形的弯曲流动通道和呈90°交替排列且扭转成180°的螺旋叶片结构组成。将混合装置内置于搅拌罐上部，在其主体上开设进水口、加药剂口、高吸水性聚合物加料口和预混合物料出料口，如图2所示。“静”结构的设计在满足加药时效性的同时，在较低的能耗下使粉料达到了良好分散的效果，有效解决了高吸水性聚合物材料在加料时因分散不均匀遇水抱团结块的问题。

图1 冷却材料混配溶胀装置示意

图2 新型旋流静态混合器结构

装置的工作原理是由进水口切向进入的消防水将加料口垂直落下的高吸水性聚合物材料冲散，材料在水与药剂混合液的带动下，经过混合元件，通过撞击交错排列的螺旋叶片，使流体产生分流、合流、旋转、变向等作用，得到的初步混合冷却材料经新型旋流静态混合器出料口进入搅拌罐内进行二次搅拌，实现均匀混合，并维持冷却材料较低的黏度。装置采用“动”、“静”结合的优势在于可实现固体粉料和多种液体介质同时加注，避免集中落料造成结块现象，从而导致搅拌时长和耗能增加，两次搅拌大大提高了高分子聚合物物料溶胀效率，使得生产的产品质量更加优异。

3 新型旋流静态混合器混合性能分析

3.1 建模与数值模拟

3.1.1

新型旋流静态混合器的物理模型通过SolidWorks软件建立，建模时对图2所示的法兰、高吸水性聚合物加料口和加药剂口简化处理。混合器弯曲流动通道截面边长97 mm、中心线直径为400 mm，混合器内布置9个混合单元，每个混合单元的直径为95 mm、长径比值为1，进料口管径为97 mm。由于新型旋流静态混合器中混合单元结构复杂，网格划分比较繁琐，因此在利用Mesh进行网格划分时，选用四面体非结构网格划分方法，划分的网格单元数为1 062 992。通过网格质量检查结果显示：网格的等尺寸斜率以及等角斜率集中在0.1～0.5(≤0.9)。可见网格质量较好，能够满足描述完整流场特征以及保证计算精度的要求。

3.1.2

目前在流体力学中，对二次流及与其主流相互作用的研究上常依赖于湍流模型预测精度。而标准k-ε湍流模型在求解时对计算机硬件要求低，并且能很好地解决实际工程问题，因此选取标准k-ε湍流模型配合标准壁面函数法进行计算。数值求解压力与速度耦合的方式应用SIMPLE格式，动量守恒方程和压力修正方程应用二阶迎风格式，湍动能及湍动能耗散率应用一阶迎风格式，松弛因子采用FLUNET中的推荐值，为了保证新型旋流静态混合器单元结构模型计算准确性，将残差设为10。

3.1.3

选用水作为研究介质，常温常压下动力黏度为1.01×10Pa·s，密度为1 000 kg/m。边界条件分别设置速度入口和压力出口，入口速度为2 m/s，出口压力为0；固壁边界条件将新型旋流静态混合器的弯曲管壁以及混合单元壁面均设置为无滑移光滑绝热壁面。

3.2 计算结果与分析

3.2.1

周佳等对180°方形截面弯管的流动特性进行了研究，结果表明流体的速度由进口到出口逐渐变小，且由于受到压力梯度的影响内侧壁面速度高于外侧壁面，由此可知单纯弯管内的流场速度分布较为单一。如图3、图4所示，混合单元的加入，使得弯曲流动通道内的流场产生了周期性的流向变化。这是由于流体流动过程中，不仅围绕扭转180°螺旋叶片做回转运动，而且由于相邻混合单元的旋向相反以及排列方式呈90°交替排列，导致流体的运动方向不断发生改变。以上结构大大提高了原弯曲流动通道内二次涡流的强度，使得混合器内的流体被全面的扰动，有效提高了混合能力。

图3 水平中间面的切向速度、径向速度和轴向速度云图

图4 垂直中间面的切向速度、径向速度和轴向速度云图

比较速度云图可以发现，在新型旋流静态混合器内，切向速度的变化最大，速度峰值可达入口速度的1.5倍。切向速度越大，说明涡流产生了强剪切力作用于流体上，因此混合效果越好。径向速度和轴向速度的变化小于切向速度，但在螺旋叶片处均得到了提高。如图5所示，(a)～(e)分别为第1～5个左旋螺旋叶片中间截面速度矢量图。通过沿主流方向各左旋螺旋叶片中间截面速度矢量图可以发现，在截面中心形成了一对与螺旋叶片旋向一致的顺时针涡流，这是流体绕螺旋叶片做回转运动产生的。除此之外，在截面的左下角和右上角，形成了一对与中心涡流旋向相反的逆时针涡流，这是流体受弯曲流动通道曲率和混合单元共同影响所产生的。在中心顺时针涡流和壁面逆时针涡流共同作用下，中心与壁面流体之间的互相移送能力得到加强，进一步提高径向混合能力。

3.2.2

湍流扩散是湍流的一个最基本特点，是衡量静态混合器湍流混合能力的重要指标。通过研究新型旋流静态混合器内湍动能大小和分布的影响因素，可以寻找提高混合器流体湍流扩散能力的方法，从而增强混合器的混合性能。

如图6所示，流体在前3个混合单元处的湍动能变化最大，数值大小增加近百倍，在第4个混合单元后湍动能维持在一个较高的数值范围内且呈周期性变化，说明混合单元的加入对提高湍动能有重要的作用。此外在每个混合单元入口处均引起很大的湍动能值，表明将足够的湍动能分配给了流体的交界面处，两股流体在此处产生了强烈的湍流脉动，这样将很大程度地提高混合能力。在入口速度2 m/s相同的条件下，改变混合器内混合单元的数量，比较湍动能数值变化。如图7所示，平均湍动能随弯曲流动通道内混合单元数量的增加缓慢变大，因此增加混合单元数量可以提高新型旋流静态混合器混合性能。如图8所示，在弯曲流动通道内混合单元数量保持9个不变的条件下，可以发现入口速度对混合性能同样具有重要影响。随着入口速度的增加，平均湍动能增大。说明入口速度越大，新型旋流静态混合器内的湍动越剧烈，混合能力越强。

图5 沿主流方向左旋螺旋叶片中间截面速度矢量图

图6 新型旋流静态混合器湍动能分布

图7 混合单元数量对平均湍动能的影响

图8 入口速度对平均湍动能的影响

但是较多混合单元数量和较大的入口速度必然造成能量的损失。如图9和图10所示，压力降的变化与混合单元数量呈现正比例关系，数量越多，压力损失越大。压力降与入口速度大小近似呈几何级数的增长，速度低时，增长幅度较为缓慢；速度高时，增长幅度显著。因此在满足混合性能要求的前提下，需要充分考虑节能目标。

图9 混合单元数量对压力降的影响

图10 入口速度对压力降的影响

综合以上分析，入口速度为2 m/s的条件下，在新型旋流静态混合器内设置8个混合单元时的混合效果最佳。虽然此时混合器内的压力降较大，但是随着混合单元个数的增加，平均湍动能数值增幅依然显著，有利于提高混合效率。但是当混合单元增加到9个时，平均湍动能数值的增幅已趋于平缓，对混合性能的提高并不明显，且此时压力降已达到22 kPa，超过允许压力降，耗能随之增加。除此之外入口速度比混合单元数量对平均湍动能和压力降的影响更大。因此，对于混合器的优化，通过在结构上布置较多的混合单元数量且在操作上适度减小入口速度，可以提高新型旋流静态混合器的工作效率。

4 结论

高吸水性聚合物冷却材料喷涂装置通过搅拌罐、新型旋流静态混合器“动”、“静”组合的方式，实现了多种物料的在线同步混合，提高了高分子聚合物材料的溶胀效率。模拟结果表明，新型旋流静态混合器产生的螺旋流切向速度大，有助于高吸水性聚合物材料在强剪切力作用下的混合；在垂直于主流的截面上，形成了有利于径向混合的两对旋向相反的涡流；通过增加混合单元数量，适度减小入口速度，有助于提高新型旋流静态混合器的工作效率。

该装置具有结构简单、耗能少的特点，但是装置体积大、较为笨重，仅能进行定点喷涂作业。要想满足在火灾情况下实现对周边储罐及时、全方位的保护，装置还需要朝着智能化、轻便化方向改进，进一步提高装置的混配与喷涂性能。