離子液體烷基化工藝用新型旋流反應(yīng)器壓降比的試驗(yàn)研究

王 磊，張明陽(yáng)，朱麗云，王振波，金有海

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島 266580）

1 前言

在石油煉制工業(yè)中，烷基化工藝指在催化劑作用下，異丁烷和烯烴通過(guò)烷基化反應(yīng)生成高辛烷值汽油調(diào)和組分的過(guò)程。傳統(tǒng)烷基化工藝常用催化劑是氫氟酸（HF）和硫酸（H2SO4），但是氫氟酸毒性大，硫酸腐蝕設(shè)備，產(chǎn)生的大量酸渣污染環(huán)境，已經(jīng)越來(lái)越不滿足安全環(huán)保的要求［1］。目前，作為一類室溫下呈液態(tài)的由離子構(gòu)成的物質(zhì)體系，酸性離子液體因其可回收利用、安全無(wú)毒、選擇性高等優(yōu)勢(shì)，成為烷基化工藝中的熱門催化劑。

離子液體烷基化反應(yīng)屬于液－液反應(yīng)的范疇，兩相黏度密度相差較大，混合分散困難，如果反應(yīng)物之間接觸時(shí)間太短，則反應(yīng)不徹底；如果接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)物和催化劑不能及時(shí)分離，產(chǎn)生二次反應(yīng)，損害反應(yīng)品質(zhì)。這就要求物料反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)器快速分離反應(yīng)產(chǎn)物。因此，在傳統(tǒng)旋流器的基礎(chǔ)上，中國(guó)石油大學(xué)（華東）多相流試驗(yàn)室研發(fā)出一種新型旋流反應(yīng)器，旨在解決以上問(wèn)題。

壓降比是與壓力、壓力降間接相關(guān)的重要參數(shù)。在液－液分離過(guò)程中，入口壓力過(guò)高會(huì)使入口速度過(guò)大，從而使液滴發(fā)生破碎，增加分離的難度［2］；入口壓力過(guò)低則會(huì)增加能耗。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，需要保證壓降在合理的范圍內(nèi)，以便兩相物料順利進(jìn)入旋流反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入后續(xù)裝置。本文通過(guò)試驗(yàn)探究離子液體烷基化工藝用新型旋流反應(yīng)器的壓降比性能，對(duì)旋流反應(yīng)器工程設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)等具有指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)情況

2.1 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

新型旋流反應(yīng)器采用2個(gè)入口（輕相、重相），2個(gè)出口（溢流、底流），并且設(shè)計(jì)有混合腔和分離腔，使反應(yīng)物與離子液體充分接觸，并且邊反應(yīng)、邊分離，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)工藝，提高了反應(yīng)效率。為便于對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，旋流反應(yīng)器采用透明的有機(jī)玻璃材料。試驗(yàn)所用加工的旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)流程如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，煤油和甘油水溶液分別從輕相入口、重相入口進(jìn)入旋流反應(yīng)器，在混合腔內(nèi)充分混合，然后在分離腔內(nèi)快速分離，溢流和底流分別通過(guò)溢流出口、底流出口進(jìn)入二級(jí)旋流器，經(jīng)過(guò)2次分離，溢流全部返回輕相儲(chǔ)罐，底流全部返回重相儲(chǔ)罐。入口流量和進(jìn)料比通過(guò)旋流反應(yīng)器輕相、重相入口閥門加以控制，溢流比的改變通過(guò)溢流、底流出口閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)流量計(jì)、壓力表測(cè)量各點(diǎn)處的流量和壓力。通過(guò)取樣口獲得各工況下溢流出口、底流出口的液體樣本，考慮到操作誤差因素，每個(gè)工況下每個(gè)取樣口取樣3次，求其平均值。

圖2 試驗(yàn)流程示意

2.2 試驗(yàn)介質(zhì)

本試驗(yàn)采用冷模試驗(yàn)，試驗(yàn)原料中的離子液體和異丁烷分別用74 wt%的甘油水溶液和煤油替代。20 ℃時(shí)各物質(zhì)的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 20 ℃時(shí)各物質(zhì)的物理性質(zhì)

2.3 參數(shù)定義

2.3.1 壓降比

壓降比Pr是旋流反應(yīng)器輕相入口到溢流出口的壓降ΔP1和重相入口到底流出口的壓降ΔP2之比：

2.3.2 溢流比

溢流比F是溢流出口流量Qo與輕相入口流量Qil、重相入口流量Qih之和Q的比值：

2.3.3 輕相回收率

輕相回收率η1指溢流出口輕相流量Qol與輕相入口流量Qil的比值：

2.3.4 重相回收率

重相回收率η2指底流出口重相流量Quh與重相入口流量Qih的比值：

2.3.5 進(jìn)料比

進(jìn)料比R是重相入口流量Qih和輕相入口流量Qil的比值：

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

旋流反應(yīng)器分離性能和3個(gè)參數(shù)有關(guān)：（1）物性參數(shù)（密度、黏度等）；（2）操作參數(shù)（入口流量、溢流比、進(jìn)料比）；（3）結(jié)構(gòu)參數(shù)（旋流器高度、直徑、錐角角度等）［3～6］。

用于離子液體烷基化的新型旋流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)均給定，本文主要研究壓降比和操作參數(shù)之間的關(guān)系：

（1）已知入口流量、進(jìn)料比、調(diào)節(jié)溢流比，探究溢流比和壓降比的關(guān)系。

（2）已知溢流比、進(jìn)料比、改變?nèi)肟诹髁浚骄咳肟诹髁亢蛪航当鹊年P(guān)系［7］。

（3）已知入口流量、溢流比、變化進(jìn)料比，探究進(jìn)料比和壓降比的關(guān)系。

（4）已知進(jìn)料比和入口流量，探究壓降比和輕重相回收率的關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溢流比對(duì)壓降比的影響

調(diào)節(jié)溢流比，得到溢流比與壓降比之間的關(guān)系。圖 3（a）、（b）分別表示進(jìn)料比 1.50、入口流量3 m3/h情況下溢流比F和壓降比Pr之間的關(guān)系。

圖3 溢流比與壓降比的關(guān)系曲線

由圖可知，對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的旋流反應(yīng)器，在不同操作工況下，壓降比與溢流比關(guān)系基本一致，壓降比隨著溢流比的增加而增加。這是由于溢流比增加時(shí)溢流出口流量增加，溢流口能夠及時(shí)排出上行流輕相組分核區(qū)的流體，從而降低了其中的靜壓；而溢流比增加時(shí)底流出口流量減小，下行流重相組分核區(qū)流體在底流口的排出受阻使靜壓升高。

圖4 入口流量與壓降比的關(guān)系曲線

3.2 入口流量對(duì)壓降比的影響

改變?nèi)肟诹髁浚玫饺肟诹髁颗c壓降比之間的關(guān)系。圖 4（a）、（b）分別示出了溢流比 0.45、進(jìn)料比1.5情況下入口流量Q和壓降比Pr的關(guān)系。

由圖可知，旋流反應(yīng)器壓降比在不同進(jìn)料比或者不同溢流比工況下，均隨著入口流量的增加而成上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樵黾拥娜肟诹髁吭龃罅饲邢蛩俣?，從而使離心力強(qiáng)度變大。

3.3 進(jìn)料比和壓降比的關(guān)系

變化進(jìn)料比，得到進(jìn)料比和壓降比的關(guān)系。圖5（a）、（b）分別示出了入口流量為3 m3/h、溢流比0.45情況下進(jìn)料比R與壓降比Pr的關(guān)系。

圖5 進(jìn)料比與壓降比的關(guān)系曲線

由圖可知，在不同入口流量或者不同溢流比的操作工況下，當(dāng)改變進(jìn)料比時(shí)，旋流反應(yīng)器的壓降比變化總體趨勢(shì)基本相同。壓降比均隨著進(jìn)料比的增大而下降。這是由于在一定入口流量下，進(jìn)料比增加使重相入口流量增大，加大了分離過(guò)程的耗能和壓力損失。

3.4 旋流反應(yīng)器壓降比計(jì)算模型

溢流比、進(jìn)料比和入口流量共同影響壓降比的大小，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立壓降比－溢流比－入口流量－進(jìn)料比關(guān)系模型：

式中a，b，c，d，e——系數(shù)

對(duì)上式進(jìn)行多元回歸計(jì)算，得到壓降比計(jì)算模型：

壓降比模型計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比如圖6所示。由圖可知，計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合程度較高，壓降比計(jì)算模型基本滿足實(shí)際需求。

圖6 壓降比模型計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比

3.5 壓降比與輕重兩相回收率的關(guān)系

導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)保持不變，進(jìn)料比取1.50，入口流量取3 m3/h，改變溢流比，得到不同壓降比Pr與輕重兩相回收率的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 壓降比和輕重兩相回收率的關(guān)系曲線

由圖可知，當(dāng)改變壓降比時(shí)，輕相回收率和重相回收率的變化趨勢(shì)是相反的。當(dāng)壓降比增大時(shí)，輕相回收率上升，而重相回收率逐漸下降。對(duì)于操作參數(shù)，造成壓降比增大的原因有：溢流比增大、進(jìn)料比減小、入口流量減小。當(dāng)溢流比增大時(shí)，旋流反應(yīng)器內(nèi)流體的軸向速度增大，部分下行流體變成上行流體，所以輕相回收率增加而重相回收率減小；當(dāng)進(jìn)料比減小時(shí)，入口流體中輕相組分含量增加，導(dǎo)致溢流出口輕相含量增加，底流出口重相含量減小，所以輕相回收率增加而重相回收率減?。划?dāng)入口流量減小時(shí)，旋流反應(yīng)器內(nèi)流體形成的渦流旋轉(zhuǎn)速度較低，部分上行流體變成下行流體，所以輕相回收率增加而重相回收率減小。

當(dāng)壓降比在2.45附近時(shí)，輕相回收率曲線和重相回收率曲線有一個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)兩相回收率相等。這樣變化規(guī)律的得出對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論與展望

（1）不同的操作參數(shù)對(duì)壓降比變化規(guī)律影響不同。當(dāng)溢流比增大或者入口流量增大時(shí)，壓降比上升；當(dāng)進(jìn)料比增大時(shí)，壓降比下降。

（2）計(jì)算得到壓降比－溢流比－入口流量－進(jìn)料比關(guān)系模型為：

Pr=－1.797+exp（0.877F－0.039Q0.532R－0.138）（3）當(dāng)壓降比改變時(shí)，輕重兩相回收率變化趨勢(shì)相反。當(dāng)壓降比上升時(shí)，輕相回收率增大，重相回收率減小。

［1］徐超，金學(xué)平，李健雄，等.離子液體烷基化反應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2015，44（8）：17－19.

［2］劉安生，蔣明虎，賀杰，等.壓降比－液液旋流分離的一個(gè)重要性能參數(shù)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1997，26（1）：27－29.

［3］Liu Haifei，Xu Jingyu，Zhang Jun，et al.Oil/water separation in a liquid－liquid cyclindrical cyclone［J］.Journal of Hydrodynamics，2012，24（1）：116－123.

［4］劉楊，王振波.水力旋流器分離效率影響因素的研究進(jìn)展［J］.流體機(jī)械，2016，44（2）：39－42.

［5］趙宇，趙立新，徐保蕊，等.基于正交法的一體化二次分離旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選［J］.流體機(jī)械，2016，44（3）：29－33.

［6］劉麗艷，馮家祥，吳皓，等.換熱器管束排列角對(duì)流體力的影響研究 ［J］.壓力容器，2016，33（12）：13－19.

［7］王振波，賈少磊，金有海.除油型旋流器壓降比特性試驗(yàn)研究［J］.化工機(jī)械，2004，31（1）：1－4