醋酸乙烯反应器以醋酸和乙炔气体为原料, 以醋酸锌/活性炭为催化剂, 在平行流列管式固定床反应器中生成醋酸乙烯, 该反应为强放热反应, 反应气体在列管内自上而下流动并进行化学反应, 管外冷却介质将反应放出的热量吸收, 维持反应温度恒定, 加快反应速率。若反应器设计不合理, 引起管外流体径向速度分布不均匀、径向温差过大, 列管内反应热不能被管外流体迅速吸收, 会降低反应速率。目前, 醋酸乙烯反应器管外流体流动的研究, 大多建立在计算公式及实验分析上[1,2,3,4], 本文拟通过醋酸乙烯反应器管外冷却介质流动的数值模拟分析, 研究管外冷却介质的流速分布及压力分布, 改善传热效果, 为工艺优化提供参考。
1 醋酸乙烯反应器结构及物理模型
醋酸乙烯反应器结构如图1, 冷却介质沿反应器下部外围一周的下环形流道流入反应器, 流体在列管外错流过管束后在分布板的作用下改为并流动, 通过分布板与反应管之间的环隙沿管外向上流动, 同时与列管内流体换热, 最终通过分布板与反应管之间的环隙流入反应器上部环形流道, 沿圆周流动的同时流出反应器。
反应器内径F3360mm, 反应管径为F40'3mm, 长度为5.1m, 管间距50mm, 正三角形排列, 反应器内设置了上中下3块分布板, 中分布板经过反应器中心, 上、下分布板均距中分布板1650mm。由于列管式反应器沿中心轴对称, 故取圆周的十六分之一建立模型如图2所示。
2 冷却介质流动数值模型建立
FLUENT是世界领先、应用广泛的计算流体力学 (CFD, Computational Fluid Dynamics) 软件, 用于计算流体流动和传热问题[5,6,7]。运用FLUENT前处理网格生成软件GAMBIT针对反应器管外划分网格, 采用四面体单元, 非结构化网格, 管板间隙处尺寸太小, 局部加密。反应器管外横截面网格分布见图3。
3 数值模型性分析
为简化计算, 选取液态水作为冷却介质, 反应器的进口为速度型边界条件, 出口为压力型边界条件。固体壁面采用无滑移、光滑、绝热边界, 近壁面处采用壁函数的方法。选用标准k-ε湍流模型, 非耦合的稳态隐式解, 标准壁函数, 对动量方程、湍动能方程和湍流扩散方程采用SIMPLEC算法且均采用二阶上迎风格式。
选取合适的变量松弛因子值, 计算残差均达到了1×10-3以下, 计算结果收敛, 见图4。
4 计算结果及分析
取反应器横截面作为研究对象, 分析管外冷却介质的流速分布。下分布板与中分布板之间横截面的流速分布见图5, 中分布板与上分布板之间横截面的流速分布见图6, 管板间隙横截面的流速分布见图7。
图7与图5及图6相比, 反应器分布板的管板间隙处冷却介质流动速度大于分布板间的速度, 这是由流通面积不同决定的, 列管中心距的合理设置使间隙处速度值基本一致。图5显示反应器中心区域附近管外冷却介质流速较小, 壁面附近流速较大, 这是由于管外流体横穿管束进入反应器中心所受阻力较大。图6显示流体流过分布板后, 中心与近壁面处流速差别减小, 流速分布趋于均匀, 说明三块分布板及合理的管心距设置利于管外冷却介质的均匀分布。
5 结语
5.1反应器管外冷却介质流经分布板的管板间隙时, 速度值远大于列管之间介质速度, 且速度值基本一致, 列管中心距的合理设置利于管外冷却介质的均匀分布。
5.2反应器管外冷却介质在中心区域流速较小, 壁面附近流速较大, 这是由于管外流体穿过管束进入反应器中心所受阻力较大。
5.3反应器管外冷却介质经过分布板后, 中心与近壁面处流速差别减小, 流速分布趋于均匀, 说明三块分布板的设置利于管外冷却介质的均匀分布。
摘要：针对醋酸乙烯工业反应器, 分析管外冷却介质流动特性, 为工艺流程的优化提供参考。建立反应器管外流体空间数值模型, 模拟湍流稳态流动特性, 分析流体速度分布。研究结果表明, 流体经过分布板管板间隙的速度值远大于管外速度, 且速度值基本一致;反应器中心区域附近管外流体流速较小, 壁面附近流速较大;流体经过分布板后, 中心与近壁面处流速差别减小, 流速分布趋于均匀, 利于管外流体均匀传热;说明三块分布板及列管中心距的合理设置利于管外冷却介质的均匀分布。
关键词：醋酸乙烯反应器,管外,冷却介质,流动特性,CFD
参考文献
[1] 曹长青, 王政, 刘继泉, 张爱华.醋酸乙烯固定床列管式反应器的模拟分析[J].青岛化工学院学报, 2000, 21 (4) :307-310.
[2] 联合化学反应工程研究所华东大学分所, 金陵石化公司设备研究院.列管式固定床反应器流动与传热研究[J].苯酐通讯, 1997 (2) , 40-48.
[3] 吴亚峰, 王宇林, 束忠明, 黄发瑞, 吴民权.并流型列管式固定床反应器的流体力学设计[J].金陵石油化工, 1993, (3) :2-7.
[4] 周文成, 王宇林, 吴亚峰, 沈文伟.错流列管式固定床反应器的设计计算模型[J].石油化工设备, 1994, 23 (6) :14.
[5] 王瑞金, 张凯, 王刚.Fluent技术基础与应用实例.清华大学出版社, 2007, 44-45.
[6] 王福军, 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.清华大学出版社, 2005, 05:177-180.
[7] 韩占忠, 王敬, 兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社, 2004:19-65.