清焦蝶阀密封副采用三偏心结构，具有密封性能高、摩擦小、可靠性强的特点。当
蝶阀中通过粘性很大的石脑油裂解气体介质时，蝶阀需要采用清焦措施来防止出现焦化问题。现在常用的做法是在阀体的周围通入高温高压蒸汽来清除阀座上的粘性流体介质。因此，蝶阀清焦流道结构设计对整个化工设备的正常运行都有重要的影响。传统的化工设备设计时，首先采用数学模型进行描述，使用二维工程图来表达三维实体通过试验改进二维工程图，然后确定化工设备的结构设计。这样不但耗费大量时间和资金，而且结果的准确性很难保证。本文结合计算流体动力学（CFD）指导蝶阀结构的设计，以减少蝶阀的设计周期及试验工作量和费用，解决清焦流道优化设计问题，从而提高设计可靠性。
一、分析
1、理论模型
本文阐述的问题属于超音速问题，采用目前使用广泛的由Patanker和Splding提出的SIMPLE算法，选用TotalEnergy模型计算，湍流方程采用（SST）模型。BSL模型为
模型中的系数通过相关模型的系数线形表示。
BSL模型具有Wilcox和的κ-ε优点，但是不适合预测开始端和脱流的情况，只能通过漩涡粘性表达式得到。
式中F
2———混合作用系数和F
1相似，受边界条件的限制，并且假定不适用剪切流
2、清焦蝶阀几何结构
清焦蝶阀密封副采用三偏心面密封的结构（图1），使接触应力分布均匀，密封更加可靠。清焦蝶阀蒸汽流道的结构尺寸决定着密封
调节阀和气体介质是否产生焦化（图2）。采用进口蒸汽绕阀体一周再进入阀体的目的是尽量使蒸汽均匀进入，尽可能采用较少的蒸汽达到防止焦化的效果，过多的蒸汽进入对石脑油裂解气体的性质有很大的影响。
二、蒸汽流道优化设计
采用CFD软件ANASYSCFX模拟高压蒸汽的流动状态。通过改变管道位置、个数以及流道的尺寸，探索蒸汽对主流裂解气体流动状态的影响趋势，了解蒸汽防止焦化的效果，从而达到确定入口管道的个数以及蒸汽流道尺寸的目的。
1、假设和说明
（1）用来清焦的水蒸汽在高速运动过程中始终是饱和状态，蒸汽不存在冷凝和过饱和的状态。
（2）通过蝶阀的粘性石脑油裂解气体是混合物，假设混合物的各种组分在微观上完全混合，不存在分层状态，混合物的物理性质根据各组分的物理性质和在混合物中所占有的比例计算得到。
（3）为了更加精确地描述两个大气压的蒸汽流动状态，采用CEL表达式描述饱和蒸汽在流动过程中的物理性质。
2、方案对比
通过CFX软件模拟气体流动状态分析可知，蝶阀外部管道入口的布置对蒸汽的分布影响很大，当管道布置确定下来以后，蝶阀内部尺寸的变动，只能细微地调节蒸汽的质量分数分布。因此，先确定蝶阀外部管道的布置，然后再确定内部尺寸。
（1）入口管道布置
入口管道布置采用了3种方案（图3）。方案1采用三个入口，蒸汽入口的轴线与裂解气体所在的化工设备轴线平行。方案2采用三个入口，蒸汽入口120度平分阀体且采用相切的方式与裂解气体所在的化工设备连接。方案3采用四个入口，90°平分化工设备且采用相切的方式连接。
蒸汽流道内部结构尺寸相同，采用CFX模拟气体流动状态，裂解粘性气体质量分数分布如图4。从裂解气体浓度分布图看出，管道布置方案2和3比较适合设计要求，鉴于蝶阀加工要求，采用四个蒸汽入口结构。
（2）管道尺寸
采用四个蒸汽入口，蒸汽入口与阀体相切，通过改变管道内部尺寸进行模拟分析。图5和6的裂解气体质量分数分布图显示，蒸汽达到了把裂解气体向内部均匀挤压的作用，阀座边缘处的裂解气体质量分数<30%，此时的流道设计（图7）满足除焦的工程应用要求。
3、方案设计要点
蒸汽入口管道的布置非常重要，根据蝶阀流道气体模拟方案分析得出结论。①当蝶阀内部结构一定，其他情况相同，采用三个蒸汽入口比采用四个蒸汽入口防止蝶阀焦化的效果更佳。②蒸汽管道入口和阀体相连，采用相切的连接方式防止蝶阀焦化的效果较好。③蒸汽管道朝向尽量布置同一个方向，采用顺时针或者逆时针方向布置。
蒸汽通过管道进入阀体周围通道后，由于和内壁的摩擦碰撞作用，动能损失很大。蝶阀采用蒸汽防止出现焦化问题，主要是利用高速运动的蒸汽动能，在进入设备后压缩设备内的粘性气体介质，使那些粘性气体介质尽量不要接触阀座，如果蒸汽动能损失太大就达不到防止蝶板和阀体产生焦化的效果。因此，设计时尽量使蒸汽在阀体周围的第一流道的宽度和蒸汽入口管道的直径相等，流道设计尽量均匀，以减少蒸汽的动能损失。
三、结论
采用CFD软件ANSYSCFX模拟清焦蝶阀多组分气体分布，指导蝶阀的优化设计，模拟结构和实验结构吻合，满足了工程应用的需求。取代了费用高，周期长，难度大的传统研究设计过程，提高了设计的可靠性，解决了蝶阀可能产生焦化的问题，为此类蝶阀设计提供了依据。
参考资料
时磊，李建利。
三偏心蝶阀在化工方面的应用〔J〕。石油化工自动化，2001，（5）：68。
王福军。计算流体动力学分析〔M〕。北京：清华大学出版社，2004。
王卫斌，赵明义。双偏心金属密封蝶阀设计〔J〕。
阀门，1997，（3）：2-5。
胡晖，徐世民，李鑫钢。现代化工设备三维可视化设计〔J〕。计算机与应用化学，2006，23（9）。
FolusoL，NearonMD。CFDapplicationintheHVACRindus2try〔J〕。ASHRAEJournal，1997（1）：44-48。
S。V。Patanker，D。B。Spalding，Acalculationprocessureforheat，massandmomentumtransferinthere2dimensionalparabolicflows，IntJHeatMassTransfer，15：1787-1806，1972。
