乙烯利酯化攪拌反應(yīng)器的改進(jìn)與模擬優(yōu)化

蔡清白 原宇航

（上海華誼集團(tuán)技術(shù)研究院)

乙烯利酯化攪拌反應(yīng)器的改進(jìn)與模擬優(yōu)化

蔡清白*原宇航

（上海華誼集團(tuán)技術(shù)研究院)

利用計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對乙烯利酯化攪拌釜內(nèi)流場進(jìn)行了模擬研究，對比了工業(yè)酯化釜和新酯化釜的氣體分散效果等反應(yīng)器性能。結(jié)果表明，工業(yè)酯化釜因槳葉形式不當(dāng)、槳間距過小等原因，氣體分散效果很差；新改進(jìn)的酯化釜依照工藝要求，調(diào)整了槳葉結(jié)構(gòu)，增加了擋板，使氣體分散效果得到明顯改善，反應(yīng)器液層空間得到有效利用。模擬研究結(jié)果可為工業(yè)酯化釜裝置的技術(shù)改進(jìn)提供一定的指導(dǎo)。

攪拌釜乙烯利計算流體力學(xué)氣體分散模擬優(yōu)化

攪拌反應(yīng)器因其結(jié)構(gòu)靈活、操作方式多樣、傳質(zhì)傳熱性能好等優(yōu)點，在各種過程工業(yè)中廣泛應(yīng)用，如生物化工、石油化工、精細(xì)化工、食品工業(yè)等。但也因其內(nèi)構(gòu)件復(fù)雜、槳葉類型多、高氣速易液泛等原因，增大了攪拌反應(yīng)器的設(shè)計與放大的難度。因此，如何優(yōu)化攪拌反應(yīng)器一直是人們關(guān)注的熱點[1]。

乙烯利裝置中，酯化攪拌反應(yīng)器是典型的氣/液攪拌反應(yīng)器。氣相環(huán)氧乙烷（EO）經(jīng)氣體分布器進(jìn)入充滿液相三氯化磷（PCl3）的反應(yīng)器內(nèi)，被攪拌槳葉剪切破碎后，與PCl3酯化反應(yīng)生成亞磷酸三（2-氯乙基）酯，反應(yīng)物料又經(jīng)分子重排、酸解得到乙烯利產(chǎn)品[2]。目前，上海華誼（集團(tuán)）公司下屬某公司乙烯利裝置的酯化攪拌反應(yīng)器為標(biāo)準(zhǔn)搪瓷攪拌釜，采用的槳葉為錨式或雙層平槳，反應(yīng)器內(nèi)氣體分散和混合效果并不理想，造成反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性低，酯化反應(yīng)后還需保溫處理6～10 h，以使反應(yīng)達(dá)到完全。酯化攪拌反應(yīng)器的改進(jìn)與優(yōu)化對整個乙烯利裝置的運行有重要影響，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和收率等。

隨著計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬得到攪拌反應(yīng)器內(nèi)的流動、分散和混合等信息成為現(xiàn)實，這也為縮短反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計和開發(fā)周期提供了可能，正越來越多地被應(yīng)用到工業(yè)反應(yīng)器開發(fā)過程中[3-8]。本文利用CFD技術(shù)模擬乙烯利酯化攪拌反應(yīng)器內(nèi)流動和氣體分散等信息，在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)和優(yōu)化了現(xiàn)有的酯化攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，得到了新的反應(yīng)器形式，氣體分散效果得到明顯改善，從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率提供一定指導(dǎo)。

1 酯化攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬

1.1 工業(yè)酯化攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

工業(yè)酯化攪拌反應(yīng)器（釜）采用5 000 L標(biāo)準(zhǔn)搪瓷釜，無擋板，反應(yīng)器（釜）結(jié)構(gòu)見圖1。反應(yīng)器直徑T=1 750 mm，液相為三氯化磷，靜液位（不包括封頭）H=1 400 mm，三氯化磷黏度μl=0.000 55 Pa·s，密度ρl=1 574 kg/m3，環(huán)氧乙烷通氣量Qm=75 kg/h，環(huán)氧乙烷黏度μg=9.257 4×10-6Pa·s，密度ρg=870 kg/m3。氣體分布器為環(huán)管均勻分布，孔數(shù)120個，孔徑do=5 mm，孔氣速uo=4.5 m/s。攪拌釜內(nèi)槳葉采用雙層平槳，攪拌轉(zhuǎn)速N=63 r／min，槳葉直徑dj=800 mm，底層槳離釜底距離C=270 mm，槳間距S=400 mm。

圖1 工業(yè)酯化攪拌釜結(jié)構(gòu)（5 000 L）

1.2 數(shù)值求解方法

本文采用商業(yè)軟件Fluent作為工作平臺進(jìn)行模擬，模擬的攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)與工業(yè)裝置結(jié)構(gòu)相同，具體見圖2，其中Z為監(jiān)測點距釜底的距離。采用ICEM-CFD軟件對釜主體和雙層平槳進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，為增加計算精度，對網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理，總網(wǎng)格數(shù)約為1 000 000。由于雷諾數(shù)較高，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理。模擬時為了加快收斂，首先使用歐拉-歐拉雙流體模型和RNG κ-ε湍流模型加多重參考坐標(biāo)系法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，獲得初始流場，待計算穩(wěn)定后再改為瞬態(tài)模擬計算，收斂殘差值均小于0.000 1。模擬轉(zhuǎn)速為63 r/min，時間步長為0.001 s，即1 000個時間步長旋轉(zhuǎn)一周。模擬的流動時間為20 s，即約為20個旋轉(zhuǎn)周期，此時計算得到的流場已基本穩(wěn)定[9]。

圖2 酯化攪拌釜模擬網(wǎng)格劃分

酯化攪拌釜數(shù)據(jù)采集點軸向分布如圖3所示。

圖3 酯化攪拌釜數(shù)據(jù)采集點軸向分布

2 模擬結(jié)果

2.1 酯化攪拌反應(yīng)器流場分析

2.1.1 基本流型

酯化攪拌反應(yīng)器（釜）整體流場見圖4。由圖4可見，雙層平槳形成向上的軸向流整體流型，在軸向位置Z=936.5 mm橫截面上流型為以切向流為主的流型。這主要是由于平槳雖為徑向流槳，但由于槳葉直徑較大，約為T/2，因此槳葉排出流轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流。又因為酯化釜內(nèi)無擋板，無法消除切向流，故橫截面上流型以切向流為主。

圖4 酯化攪拌釜基本流型

2.1.2 速度場

酯化釜內(nèi)液相速度場見圖5。由圖5可見，原攪拌釜內(nèi)在雙層平槳區(qū)域附近液體速度較大，最大速度約為3.0 m/s，在軸向位置大于600 mm的區(qū)域，液相速度很低，大氣泡不能被液體剪切破碎成小氣泡，反應(yīng)釜內(nèi)的液相區(qū)域無法得到有效利用。

圖5 酯化攪拌釜液相速度場

2.1.3 氣體分散

酯化攪拌釜內(nèi)氣體分散效果見圖6。由圖6可見，與液相速度場類似，近槳葉區(qū)域氣體分散效果較好，但軸向位置大于600 mm的區(qū)域，大部分氣體沿壁上升，釜中心氣體分散效果很差，氣含率均低于0.05，近氣液界面處氣含率幾乎為零（見圖7）。

2.2 酯化攪拌反應(yīng)器的改進(jìn)與模擬分析

由上節(jié)所示，原工業(yè)酯化攪拌反應(yīng)器（釜）因采用槳葉形式不當(dāng)，釜內(nèi)無擋板，導(dǎo)致氣體分散效果差，反應(yīng)釜內(nèi)的液相區(qū)域無法得到有效利用。此外，再考慮到反應(yīng)后期為滿釜操作，需調(diào)整槳葉位置，以適應(yīng)上部液層區(qū)域的要求。因此，新酯化攪拌釜對槳葉形式、槳葉位置進(jìn)行了調(diào)整，采用透平槳加斜葉槳雙層槳，槳葉直徑dj=800 mm，底層透平槳離釜底距離C=437.5 mm，槳間距S=1 000 mm，氣體分布器為環(huán)形分布器，分布器距底層槳135 mm，并增加4塊標(biāo)準(zhǔn)擋板，以期改善氣體分散效果。本節(jié)將對新酯化攪拌釜內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)、速度場和氣體分散效果進(jìn)行分析。

圖6 酯化攪拌釜氣體分散效果

圖7 酯化攪拌釜不同軸向位置的徑向氣含率分布

2.2.1 基本流場

新酯化攪拌釜整體流場見圖8。由圖8可見，新酯化攪拌釜底層槳為六葉透平槳，這種槳為徑向流槳，上層槳為排出流向上的斜葉槳，增加的擋板有效消除了切向流，故而攪拌釜流場形成上下兩個漩渦，在軸向位置Z=936.5 mm的橫截面流場內(nèi)也出現(xiàn)多個小漩渦。

2.2.2 速度場

新酯化攪拌釜液相速度場見圖9。由圖9可見，新酯化攪拌釜內(nèi)整體速度分布較原酯化釜有明顯改善，整釜和軸向位置Z=936.5 mm處的液體速度分布均勻。釜內(nèi)整體液相區(qū)域得到了有效利用。

2.2.3 氣體分布

新酯化攪拌釜氣體分散效果如圖10所示，釜內(nèi)整體上氣體分散均勻。不同軸向位置（Z=236.5、436.5、936.5、1 436.5、1 636.5 mm）處，徑向氣含率分布差異很小，氣含率數(shù)值在0.05～0.07之間，僅在氣體分布器附近，氣含率較大（見圖11）。

圖8 新酯化攪拌釜流型

圖9 新酯化攪拌釜液相速度場

3 結(jié)論

本文采用計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)有效地模擬了工業(yè)酯化攪拌反應(yīng)器（釜）內(nèi)基本流場、氣體分散效果等，對比了不同結(jié)構(gòu)酯化釜內(nèi)性能的變化，提出了酯化釜的改進(jìn)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明：

（1）原酯化攪拌釜因槳葉形式不當(dāng)、無擋板等因素，反應(yīng)釜液相上層區(qū)域無法得到有效利用，氣體分散效果不佳；

（2）新酯化攪拌釜采用底層透平槳加上層斜葉槳組合槳結(jié)構(gòu)，整體氣含率分布均勻，氣體分散效果得到明顯改善；

圖10 新酯化攪拌釜氣體分散效果

圖11 新酯化攪拌釜不同軸向位置的徑向氣含率分布

（3）新酯化攪拌釜結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢明顯，可為工業(yè)酯化攪拌釜的改造提供一定的指導(dǎo)。

[1] 銀建中,程紹杰,賈凌云，等.生物反應(yīng)器放大因素與方法研究[J].化工裝備技術(shù),2009，30（1）:22-27.

[2] 劉斌,宋振，羅偉慧，等.乙烯利合成技術(shù)進(jìn)展[J].上海化工,2010,35（12）:13-15.

[3] 銀建中,程紹杰,賈凌云，等.攪拌反應(yīng)器的模擬與優(yōu)化設(shè)計[J].化工裝備技術(shù),2009，30（4）:1-5.

[4] 蔣嘯靖,夏建業(yè),趙頡.生物攪拌反應(yīng)器內(nèi)混合情況的CFD模擬及在發(fā)酵中的應(yīng)用[J].化學(xué)與生物工程，2008,25:54-57.

[5] 趙衛(wèi)寧,潘家禎,陳雙喜，等.生物攪拌反應(yīng)器的CFD模擬及在肌苷發(fā)酵中的應(yīng)用[J].華東理工大學(xué)學(xué)報，2006，32:548-551.

[6] 李良超,黃顯忠,顧雪萍，等.PVC懸浮聚合釜內(nèi)流場與傳熱的研究[J].聚氯乙烯,2008,36(10):38-41.

[7] 張新云.氣固流化床反應(yīng)器內(nèi)多相流CFD的研究進(jìn)展[J].化工裝備技術(shù),2009,30(2):35-37.

[8] 劉育嘉,劉仁桓,金有海.液－固水力旋流器兩相流動數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].化工裝備技術(shù),2010,31(4):13-15.

[9] Derksen J,Van der Akker E A.Large eddy simulations on the flow driven by rushton turbine[J].AIChE J,1999,45(2):209-221.

Improvement and Simulation Optimization of Stirred Tank for Ethephon Esterification

Cai Qingbai Yuan Yuhang

The flow field in ethephon esterification stirred tank was investigated by computational fluid dynamics(CFD)simulation,and the comparison of characteristics between industrial esterification reactor and new reactor was also carried out.It was found that the gas dispersion effect in industrial apparatus was worse due to inappropriate impeller type and distance between two impellers.The gas dispersion effect in new reactor was improved by adjusting impeller type and adding baffles,and the liquid zone of the reactor was effective used.The results could provide some guidance to technological improvement of industrial esterification reactor.

Stirred tank;Ethephon;Computational fluid dynamics;Gas dispersion;Simulation optimization

TQ 051.7

*蔡清白，男，1983年生，博士，工程師。上海市，200241。

2011-09-20）