工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)非均勻流動(dòng)的影響

唐銘，訾燦，楊遙，黃正梁，廖祖維，王靖岱，蔣斌波，陽(yáng)永榮

（化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)非均勻流動(dòng)的影響

唐銘，訾燦，楊遙，黃正梁，廖祖維，王靖岱，蔣斌波，陽(yáng)永榮

（化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管內(nèi)液固兩相流動(dòng)及裝置的平穩(wěn)高效運(yùn)行具有重要的影響。對(duì)工業(yè)聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)環(huán)管反應(yīng)器中存在明顯的非均勻流動(dòng)現(xiàn)象——彎管處的顆粒偏析和直管處的顆粒帶。進(jìn)而引入非均勻度定量表征非均勻流動(dòng)，研究直管段長(zhǎng)度和直管段數(shù)量對(duì)非均勻流動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)直管段數(shù)量為2的環(huán)管反應(yīng)器，當(dāng)直管段高徑比超過(guò)43時(shí)，出口截面上顆粒分布的非均勻度不隨高徑比增加而變化；對(duì)直管段數(shù)量為4的環(huán)管反應(yīng)器，直管段高徑比越大，出口截面上顆粒分布越均勻；對(duì)直管段長(zhǎng)度為39 m、高徑比為65的環(huán)管反應(yīng)器，直管段數(shù)量越多，出口截面上顆粒分布越均勻；與直管段數(shù)量相比，直管段長(zhǎng)度（高徑比）對(duì)出口處非均勻度的影響更顯著。研究結(jié)果可為工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

環(huán)管反應(yīng)器；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；非均勻流動(dòng)；計(jì)算流體力學(xué)；非均勻度；模型；數(shù)值模擬

Key words: loop reactor; reactor structure; non-uniform flow; computational fluid dynamics; non-uniformity; model; numerical simulation

引 言

環(huán)管反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)空產(chǎn)率高、易撤熱等優(yōu)點(diǎn)，在聚丙烯工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。Basell公司的Spheripol-Ⅱ工藝和中國(guó)石化的ST工藝是主要的環(huán)管聚丙烯生產(chǎn)工藝，均使用串聯(lián)的雙環(huán)管反應(yīng)器生產(chǎn)聚丙烯。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，環(huán)管反應(yīng)器提供的聚丙烯產(chǎn)能約占中國(guó)大陸聚丙烯產(chǎn)能的40%[2]。大型化是聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器的發(fā)展趨勢(shì)之一，目前單臺(tái)環(huán)管反應(yīng)器的最大產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到年產(chǎn)40萬(wàn)噸。工業(yè)運(yùn)行情況表明，在年產(chǎn)30萬(wàn)噸及以上的環(huán)管聚丙烯裝置中均不同程度地出現(xiàn)了1#環(huán)管反應(yīng)器軸流泵功率波動(dòng)大導(dǎo)致漿液密度達(dá)不到設(shè)計(jì)值的問(wèn)題。這些環(huán)管反應(yīng)器具有的共同特點(diǎn)是直管段的高徑比較小（≤65），而在某直管段高徑比約為97的年產(chǎn)30萬(wàn)噸環(huán)管聚丙烯裝置中1#環(huán)管反應(yīng)器的漿液密度可以達(dá)到設(shè)計(jì)值?？梢?jiàn)環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管內(nèi)液固兩相流動(dòng)及裝置的平穩(wěn)高效運(yùn)行具有重要的影響。

環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部的顆粒聚集等非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)是軸流泵功率波動(dòng)的主要原因之一。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到環(huán)管反應(yīng)器中存在微觀、介觀和宏觀等多種不同尺度的流動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]。早期的研究多集中于宏觀尺度[4-5]和微觀尺度[6-9]方面，近15年來(lái)關(guān)于非均勻流動(dòng)等介尺度問(wèn)題的研究逐漸增多?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明環(huán)管反應(yīng)器的彎管段、直管段和排料口均會(huì)出現(xiàn)非均勻流動(dòng)。Reginato等[10]研究了環(huán)管反應(yīng)器排料口處的非均勻流動(dòng)，通過(guò)引入排出因子Df更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了漿液密度。黃正梁[11]在冷模實(shí)驗(yàn)裝置中采用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)顆粒濃度，發(fā)現(xiàn)了離心現(xiàn)象導(dǎo)致的彎管處周向顆粒濃度分布不均勻現(xiàn)象。劉永兵[12]對(duì)2條腿不帶泵的工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口流速、固相體積分?jǐn)?shù)及顆粒粒徑的增大均會(huì)加劇彎管外側(cè)的顆粒聚集，彎管中存在二次流現(xiàn)象。Shi等[13]對(duì)耦合軸流泵的75 kg·h-1中試環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行CFD模擬，也發(fā)現(xiàn)彎管處顆粒濃度分布不均勻，但是當(dāng)顆粒粒徑減小到0.1 mm時(shí)環(huán)管中顆粒濃度分布趨于均勻。Gao等[14]和Yan等[15]在Shi等的工作基礎(chǔ)上分別模擬研究了環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)及后置導(dǎo)葉片對(duì)直管段周向顆粒濃度分布的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉片的加入使直管段軸向顆粒濃度分布更加均勻。Li等[16]對(duì)耦合軸流泵的8條腿工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)直管段的軸截面上存在顆粒聚集等不均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)，而且隨流體流動(dòng)逐漸消失。這一不均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)若繼續(xù)發(fā)展會(huì)形成柱塞，使得軸流泵的功率波動(dòng)10倍于正常生產(chǎn)波動(dòng)[17]，影響環(huán)管反應(yīng)器的正常運(yùn)行。然而，現(xiàn)有研究均未考慮環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)非均勻流動(dòng)的影響，也未對(duì)非均勻流動(dòng)進(jìn)行定量分析。

本工作對(duì)工業(yè)聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行CFD模擬，引入非均勻度γ[18]定量表征非均勻流動(dòng)，研究環(huán)管反應(yīng)器直管段長(zhǎng)度和直管段數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非均勻流動(dòng)的影響，期望揭示非均勻流動(dòng)的作用規(guī)律，獲得減弱非均勻流動(dòng)的方法，為環(huán)管反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 環(huán)管反應(yīng)器模型及參數(shù)

1.1 環(huán)管反應(yīng)器模型

本工作針對(duì)直徑0.6 m的工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器，主要研究直管段數(shù)量和直管段長(zhǎng)度對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)的影響。所使用的環(huán)管反應(yīng)器模型分為兩類：一類是固定直管段數(shù)量為4，改變直管段高度，包括26、39、58、65 m 4種高度，對(duì)應(yīng)的高徑比分別為43、65、97、108；另一類是固定直管段高度為39 m，改變直管段數(shù)量（2、4、6、8）。涉及的環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。高徑比相同、直管數(shù)量不同的環(huán)管反應(yīng)器的空間結(jié)構(gòu)及位置如圖1所示。直管數(shù)量相同、高徑比不同的環(huán)管，控制其結(jié)構(gòu)和位置與直管數(shù)量不同的環(huán)管一致，僅增大直管段的高徑比，其結(jié)構(gòu)和位置圖不再給出。

如圖1所示，為了方便后續(xù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)液固兩相流體在管內(nèi)的流動(dòng)方向?qū)⒀刂鲃?dòng)方向的各直管依次編號(hào)為leg1、leg2、leg3、……、leg8，各彎管依次編號(hào)為bend1、bend2、bend3、……、bend7。對(duì)每段直管，依次從上到下取高度0、13、26、39、58、65 m作為檢測(cè)位置。依據(jù)上述編號(hào)方法可對(duì)每一個(gè)特定檢測(cè)位置進(jìn)行編號(hào)，如第3根管高度為26 m的檢測(cè)位置編號(hào)為leg3-26。

1.2 物性參數(shù)

本工作模擬的對(duì)象是工業(yè)聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器，反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)壓力3.4 MPa，液相為液態(tài)丙烯，固相為聚丙烯顆粒。模擬用物性參數(shù)見(jiàn)表2，其中顆粒粒徑為2.5 mm，流速為7 m·s-1，固相體積分?jǐn)?shù)為0.214，漿液密度為520 kg·m-3。

表1 環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of loop reactor

圖1 不同結(jié)構(gòu)環(huán)管反應(yīng)器Fig.1 Loop reactors with different structures

表2 模擬物性參數(shù)Table 2 Simulation parameters

2 CFD模型及參數(shù)設(shè)置

首先在Gambit 2.4.6中創(chuàng)建環(huán)管反應(yīng)器模型，并采用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型求解過(guò)程在Fluent 6.3.26中進(jìn)行。計(jì)算時(shí)，采用雙流體模型（TFM）并耦合顆粒動(dòng)力學(xué)理論（KTGF）及湍流動(dòng)力學(xué)理論[14,16]對(duì)環(huán)管反應(yīng)器液固體系進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，曳力模型選用Gidaspow曳力模型[14,16]，模型求解采用二階迎風(fēng)方程進(jìn)行計(jì)算，并將收斂殘差設(shè)為1×10-4。與此同時(shí)，監(jiān)測(cè)進(jìn)出口質(zhì)量流量及彎管監(jiān)測(cè)面處顆粒相速度、顆粒相濃度的變化，認(rèn)為當(dāng)進(jìn)出口質(zhì)量差小于1×10-4、檢測(cè)面的顆粒速度和顆粒濃度不再變化時(shí)計(jì)算達(dá)到收斂。模型所涉及的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

為了在確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確的前提下有效減少計(jì)算量，首先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。

如圖2所示，對(duì)直管長(zhǎng)度為39 m的2條腿（2-leg）環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，采取如圖2右側(cè)Mesh A、B、C、D所示的4種不同規(guī)格的網(wǎng)格，面網(wǎng)格數(shù)分別為432、768、1200、1728個(gè)，總網(wǎng)格數(shù)分別為397440、540960、1104000、1601888個(gè)。

表3 邊界條件及模型參數(shù)[14,16]Table 3 Boundary conditions and model parameters[14,16]

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Fig.2 Grid independence test

圖3為不同網(wǎng)格尺寸下彎管90°處的固相體積分?jǐn)?shù)分布和固相速度分布，圖中r/R=-1為彎管內(nèi)側(cè)，r/R=1為彎管外側(cè)。由圖3可知，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，固相體積分?jǐn)?shù)分布及固相速度的分布趨于一致，在C類網(wǎng)格時(shí)已基本與網(wǎng)格尺寸無(wú)關(guān)，因此在后續(xù)計(jì)算時(shí)選用C類網(wǎng)格。

3.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采用經(jīng)典的Newitt壓降公式[19][式（1）～式（3）]計(jì)算環(huán)管反應(yīng)器的壓降，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如表4所示，兩者的相對(duì)偏差均在5%以內(nèi)，由此可證明模型的準(zhǔn)確性。

圖3 彎管90°處網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Grid independence test on bend 90°

表4 環(huán)管反應(yīng)器壓降的CFD模擬值與Newitt公式計(jì)算值對(duì)比Table 4 Comparison of CFD simulated value and Newitt formula calculated value for pressure drop of loop reactor

3.3 非均勻流動(dòng)現(xiàn)象及其定量表征

3.3.1 環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)非均勻流動(dòng)現(xiàn)象 當(dāng)直管數(shù)量為4、直管高度為39 m時(shí)，CFD模擬得到的環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)分布如圖4所示。從圖4可知，環(huán)管反應(yīng)器中存在明顯的非均勻流動(dòng)現(xiàn)象——彎管處的顆粒偏析和直管處的顆粒帶。當(dāng)液固兩相流經(jīng)彎管時(shí)，在離心現(xiàn)象的作用下顆粒與彎管外側(cè)發(fā)生碰撞，繼而在彎管外側(cè)壁面附近區(qū)域形成顆粒聚集，即顆粒偏析現(xiàn)象。下部彎管（bend2）的顆粒偏析現(xiàn)象較上部彎管（bend1，bend3）嚴(yán)重，這是因?yàn)樵谙虏繌澒苤亓υ鰪?qiáng)了離心作用，而上部彎管重力減弱了離心作用，使得顆粒偏析現(xiàn)象減弱。從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，液固兩相從彎管進(jìn)入直管段后，由于“雙彎效應(yīng)”[20]，顆粒偏析現(xiàn)象不會(huì)消失，而是會(huì)沿直管管壁螺旋向上運(yùn)動(dòng)，形成顆粒帶。提取圖4中l(wèi)eg3不同高度處的固相體積分?jǐn)?shù)，并定義固相體積分?jǐn)?shù)≥0.5的區(qū)域?yàn)轭w粒帶，可以發(fā)現(xiàn)在leg3中顆粒帶的體積分?jǐn)?shù)流動(dòng)方向不斷減小，從底部leg3-39處的14.67%降低至leg3-0處的8%。這是因?yàn)轭w粒帶內(nèi)顆粒濃度較高，顆粒間摩擦碰撞概率增加，會(huì)引起顆粒動(dòng)能的耗散，使得顆粒帶內(nèi)顆粒速度減小。在流動(dòng)過(guò)程中，顆粒帶在重力及二次流作用下先沿管壁螺旋運(yùn)動(dòng)，后隨著流體的發(fā)展在橫截面上逐漸分布均勻，這與Li等[16]的模擬結(jié)果是一致的。

圖4 環(huán)管中的固相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Solid volume fraction in loop reactor

3.3.2 非均勻度 雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)存在明顯的非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)，但未見(jiàn)關(guān)于非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量描述報(bào)道。本工作引入非均勻度γ[18]來(lái)定量描述環(huán)管反應(yīng)器中的非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)，其計(jì)算公式如式（4）～式（7）所示。其中，γ表征固體顆粒非均勻程度，即環(huán)管反應(yīng)器中任一截面上顆粒濃度偏離平均顆粒濃度的幅度，在0～1之間變化。γ越大，顆粒分布的非均勻程度越高；γ越小，顆粒分布的非均勻程度越低，越趨于均勻分布。

本工作計(jì)算非均勻度的值直接利用Fluent的截面平均功能，平均值采用Area-Weighted Average（面積加權(quán)平均值），標(biāo)準(zhǔn)偏差采用Standard Deviation值，局部最大值采用Maximum of Facet Values（面最大值），局部最小值采用Minimum of Facet Values（面最小值）。

3.4 直管高度對(duì)非均勻流動(dòng)的影響

以直徑0.6 m，直管數(shù)量分別為2和4，直管高度為26、39、58、65 m（高徑比分別為43、65、97、108）的環(huán)管反應(yīng)器為例，計(jì)算直管段中不同高度截面上顆粒分布的非均勻度，考察直管段高徑比對(duì)直管中非均勻流動(dòng)的影響。

當(dāng)直管段數(shù)量為2時(shí)，不同高徑比下非均勻度沿流動(dòng)方向的分布如圖5(a) 所示。由圖可知，不同高徑比下非均勻度隨流體流動(dòng)方向具有類似的分布規(guī)律。在leg1中，非均勻度從0開(kāi)始逐漸增大，經(jīng)過(guò)彎管的離心作用后彎管出口截面上顆粒分布的非均勻度達(dá)到最大值；在leg2中，隨著流體的不斷發(fā)展，截面上顆粒分布趨于均勻，非均勻度隨流動(dòng)方向逐漸變小。不同高徑比下leg2出口截面上顆粒分布的分均勻度相差不大，均在0.275左右。

當(dāng)直管段數(shù)量為4時(shí)，不同高徑比下非均勻度沿流動(dòng)方向的分布如圖5(b)所示。從圖中可以看出，不同高徑比下非均勻度隨流體流動(dòng)方向也具有類似的分布規(guī)律。與直管段數(shù)量為2時(shí)的計(jì)算結(jié)果相同，在leg1中，非均勻度從0開(kāi)始逐漸增大，經(jīng)過(guò)第1個(gè)彎管后彎管出口截面上顆粒分布的非均勻度達(dá)到極大值；在leg2中，非均勻度隨流動(dòng)方向逐漸變小，經(jīng)過(guò)第2個(gè)彎管后，由于重力增強(qiáng)了離心作用，出口截面上顆粒分布的非均勻度達(dá)到最大值；在leg3中，非均勻度隨流動(dòng)方向逐漸變小，經(jīng)過(guò)第3個(gè)彎管后，重力減弱了離心作用，出口處非均勻度稍有增加；在leg4中，非均勻度隨流動(dòng)方向逐漸變小。值得注意的是，leg4出口截面上顆粒分布的非均勻度隨高徑比增加而減小，當(dāng)高徑比為43時(shí)非均勻度最大，約為0.3，當(dāng)高徑比為108時(shí)非均勻度最小，約為0.2，而且小于直管段數(shù)量為2時(shí)leg出口截面上顆粒分布的非均勻度。研究結(jié)果表明，對(duì)直管段數(shù)量為2的環(huán)管反應(yīng)器，當(dāng)直管段高徑比為43時(shí)，再增大高徑比對(duì)改善環(huán)管出口截面上顆粒分布的作用不大；對(duì)直管數(shù)量為4的環(huán)管反應(yīng)器，直管段高徑比越大，出口截面上顆粒分布越均勻。

對(duì)于直管數(shù)量為2的環(huán)管反應(yīng)器，其入口是均勻入口條件，入口處的非均勻度接近0；經(jīng)過(guò)彎管后，由于離心作用，產(chǎn)生對(duì)稱的“雙迪恩渦”[20]，如圖6所示，在leg2中僅需經(jīng)過(guò)較短距離即可充分發(fā)展；當(dāng)直管段高徑比為43時(shí)，已能保證出口截面的非均勻度不再隨高徑比變化而變化。對(duì)于直管數(shù)量為4的環(huán)管反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)第1個(gè)彎管后產(chǎn)生對(duì)稱的“雙迪恩渦”，經(jīng)過(guò)第2個(gè)彎管和第3個(gè)彎管后彎管的疊加效應(yīng)使得液固兩相的流動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生變化，從對(duì)稱的、較穩(wěn)定的雙渦形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚?duì)稱的、不穩(wěn)定的雙渦或單渦[16,20]。同時(shí)，在leg3中也出現(xiàn)如圖4所示的明顯的顆粒帶等非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)。由于2條腿環(huán)管反應(yīng)器中出口管內(nèi)顆粒分布先于液相跡線運(yùn)動(dòng)（雙渦）發(fā)展均勻，在較低的高徑比條件下即可保證出口截面上顆粒的均勻分布；而4條腿環(huán)管反應(yīng)器中出口處顆粒濃度的均勻程度可以由液相渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，直管段高徑比越大，液固兩相發(fā)展越充分[19]，出口截面上顆粒分布也就越均勻。

圖5 不同高徑比的環(huán)管反應(yīng)器中非均勻度沿流動(dòng)方向的分布Fig. 5 Non-uniformity along flow direction of loop reactor with different height/diameter ratio

圖6 環(huán)管反應(yīng)器出口管中不同高度截面上的液相速度流線圖Fig.6 Liquid velocity and streamline at different height in outlet of loop reactor

3.5 直管數(shù)量對(duì)非均勻流動(dòng)的影響

以直徑0.6 m、直管段長(zhǎng)度39 m（高徑比65）的環(huán)管反應(yīng)器為例，考察直管段數(shù)量對(duì)管內(nèi)非均勻流動(dòng)的影響。

圖7為4種環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)非均勻度沿流動(dòng)方向的變化。從圖中可以看出，4種環(huán)管反應(yīng)器中相同編號(hào)的直管中非均勻度隨流體流動(dòng)方向具有類似的變化規(guī)律。在進(jìn)口管（leg1）中，由于模擬時(shí)設(shè)置為均勻入口條件，入口處非均勻度為0，隨著流體向上流動(dòng)，受到邊界層的阻礙作用，非均勻度沿流動(dòng)方向呈增大趨勢(shì)；經(jīng)過(guò)彎管后，由于彎管內(nèi)離心作用導(dǎo)致的顆粒偏析，彎管出口處非均勻度均會(huì)增大，而在直管段中隨流動(dòng)發(fā)展非均勻度沿流動(dòng)方向逐漸減小。需要注意的是，經(jīng)過(guò)下部彎管（bend2、bend4、bend6）時(shí)，重力增強(qiáng)了離心作用，顆粒偏析效應(yīng)更顯著，因此下部彎管出口處非均勻度較大，約為0.53；經(jīng)過(guò)上部彎管（bend1、bend3、bend5，bend7）時(shí)，重力減弱了離心作用，顆粒偏析效應(yīng)有所削弱，因此上部彎管出口處非均勻度相對(duì)較小，約為0.35。

圖7 不同直管數(shù)量的環(huán)管反應(yīng)器中非均勻度沿流動(dòng)方向的分布（高度39 m）Fig.7 Non-uniformity along flow direction of loop reactor with different straight tubes (39 m)

圖8為4種環(huán)管反應(yīng)器出口管中非均勻度沿流動(dòng)方向的變化。從圖中可以看出，出口截面的非均勻度隨直管段數(shù)量增加而減小。當(dāng)直管段數(shù)量為2時(shí)，非均勻度最大，約為0.28；當(dāng)直管段數(shù)量為8時(shí)，非均勻度最小，約為0.24。分析結(jié)果表明，對(duì)直管段長(zhǎng)度為39 m、高徑比為65的環(huán)管反應(yīng)器，直管段數(shù)量越多，出口截面上顆粒分布越均勻。比較而言，直管段長(zhǎng)度（高徑比）對(duì)環(huán)管反應(yīng)器出口處非均勻度的影響更為顯著。

圖8 不同直管數(shù)量的環(huán)管反應(yīng)器出口管中非均勻度沿流動(dòng)方向的分布Fig.8 Non-uniformity along flow direction of exit pipe in loop reactor with different number of straight pipes

如上所述，經(jīng)過(guò)第一個(gè)彎管后產(chǎn)生對(duì)稱的“雙迪恩渦”，再經(jīng)過(guò)后續(xù)彎管時(shí)彎管的疊加效應(yīng)使得液固兩相流動(dòng)規(guī)律發(fā)生變化，從對(duì)稱的、穩(wěn)定的雙渦形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚?duì)稱的、不穩(wěn)定的雙渦或單渦[16,20]。對(duì)直管數(shù)量為2的環(huán)管反應(yīng)器，由于其出口處為穩(wěn)定的、對(duì)稱的雙渦結(jié)構(gòu)，其非均勻度最大；當(dāng)直管數(shù)量增加到4時(shí)，環(huán)管反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的、不對(duì)稱的單渦結(jié)構(gòu)，如圖6所示，非均勻度有所減??；隨著直管段數(shù)量的進(jìn)一步增大，后續(xù)上部彎管（bend3、bend5、bend7）的偏析效應(yīng)有所降低，彎管出口處非均勻度呈下降趨勢(shì)（圖8），因此環(huán)管反應(yīng)器出口處非均勻度隨直管數(shù)量增加而減小。

3.6 工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器的非均勻流動(dòng)

現(xiàn)對(duì)2套年產(chǎn)30萬(wàn)噸的聚丙烯工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行比較分析。兩者的環(huán)管直徑均為0.6 m，區(qū)別在于前者的直管段數(shù)量為4、高度為58 m、高徑比為97，后者的直管段數(shù)量為6、高度為39 m、高徑比為65。為了分析方便，引入直管段數(shù)量為4、高度為39 m、高徑比為65的環(huán)管反應(yīng)器作為參考。3種工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器出口管中非均勻度沿流動(dòng)方向的變化如圖9所示。由于3種環(huán)管反應(yīng)器的高度不一，對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，0表示出口管入口，1表示出口管出口。從圖中可以看出，直管數(shù)量為4、高58 m的環(huán)管反應(yīng)器出口處非均勻度最小，約為0.21；直管數(shù)量為4、高39 m的環(huán)管反應(yīng)器出口處非均勻度最大，約為0.3；直管數(shù)量為6、高39 m的環(huán)管反應(yīng)器出口處非均勻度居中，約為0.28?？梢?jiàn)，增加直管段數(shù)量或長(zhǎng)度均有利于提高環(huán)管反應(yīng)器出口截面上顆粒分布的均勻性，比較而言增加直管段長(zhǎng)度（高徑比）的效果更為顯著。這與3.4節(jié)和3.5節(jié)的結(jié)論是一致的。工業(yè)運(yùn)行情況已經(jīng)表明，直管段數(shù)量為6、高度為39 m、高徑比為65的環(huán)管反應(yīng)器漿液密度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，而直管段數(shù)量為4、高度為58 m、高徑比為97的環(huán)管反應(yīng)器漿液密度可以達(dá)到設(shè)計(jì)值。因此，對(duì)于實(shí)際的工業(yè)聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器，建議提高環(huán)管直管段的高徑比到97以上，以保證環(huán)管反應(yīng)器出口處顆粒分布的非均勻性，保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖9 工業(yè)聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器出口管非均勻度沿流動(dòng)方向的變化Fig.9 Non-uniformity along flow direction of exit pipe in industrial propylene loop reactors

4 結(jié) 論

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)工業(yè)尺寸的環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)環(huán)管反應(yīng)器中存在明顯的非均勻流動(dòng)現(xiàn)象——彎管處的顆粒偏析和直管處的顆粒帶。引入非均勻度γ定量表征非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)，考察了直管段數(shù)量和直管段高徑比對(duì)管內(nèi)非均勻流動(dòng)的影響。主要結(jié)論如下。

（1）對(duì)直管段數(shù)量為2的環(huán)管反應(yīng)器，當(dāng)直管段高徑比超過(guò)43時(shí)，出口截面上顆粒分布的非均勻度不隨高徑比增加而變化；對(duì)直管段數(shù)量為4的環(huán)管反應(yīng)器，直管段高徑比越大，出口截面上顆粒分布越均勻。

（2）對(duì)直管段長(zhǎng)度為39 m、高徑比為65的環(huán)管反應(yīng)器，直管段數(shù)量越多，出口截面上顆粒分布越均勻。與直管段數(shù)量相比，直管段長(zhǎng)度（高徑比）對(duì)環(huán)管反應(yīng)器出口處非均勻度的影響更顯著。

（3）通過(guò)對(duì)比分析兩套不同結(jié)構(gòu)的年產(chǎn)30萬(wàn)噸聚丙烯環(huán)管裝置，發(fā)現(xiàn)高徑比為65的環(huán)管反應(yīng)器出口截面上顆粒分布不均勻。建議將該反應(yīng)器直管段的高徑比提高到97以上，以保證環(huán)管反應(yīng)器出口處顆粒分布的均勻性。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D——管道直徑，m

dp——顆粒直徑，m

f——混合摩擦因子

fl——按單相液相計(jì)算的摩擦因子

g——重力加速度，m·s-2

L——管道長(zhǎng)度，m

P——壓力，Pa

R——管道半徑，m

νl——液相局部速度，m·s-1

αl——液相體積分?jǐn)?shù)

αs——固相體積分?jǐn)?shù)

γ——局部非均勻度

μl——液相黏度，Pa·s

ρl——液相密度，kg·m-3

ρs——固相密度，kg·m-3

σs——固相體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差

下角標(biāo)

l——液相

s——固相

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Structure effect of industrial loop reactors on non-uniform flow characteristics

TANG Ming, ZI Can, YANG Yao, HUANG Zhengliang, LIAO Zuwei, WNAG Jingdai, JIANG Binbo, YANG Yongrong
(State Key Laboratory of Chemical Engineering,College of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,Zhejiang,China)

Liquid-solid flow and stable operation of a loop reactor were affected by the reactor's structural parameters. CFD simulation of the industrial polypropylene loop reactor showed clear non-uniform flow phenomenon with segregation at bend and particulate rope in straight tube. Hence, the non-uniform flow under different straight tube height/diameter ratios and straight tube number was quantitatively analyzed by introducing a non-uniformity parameter. Simulated results indicated that non-uniformity of particulate distribution at 2-leg loop reactor's outlet did not change after the height/diameter ratio exceeded 43. The flow uniformity of particulate distribution at 4-leg loop reactor's outlet kept increasing with larger height/diameter ratio. When the height/diameter ratio was fixed at 65 and height of the straight tube was kept at 39 m, flow uniformity of particulate distribution at the outlet was improved with more straight tubes. But, the influence of the height/diameter ratio on the outlet's non-uniformity was more significant than that of straight tube number. The research results could provide guidance for design and optimization of industrial loop reactors.

HUANG Zhengliang, huangzhengl@zju. edu. cn

TQ 021.9

：A

：0438—1157（2017）02—0621—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20160900

2016-07-01收到初稿，2016-08-24收到修改稿。

聯(lián)系人：黃正梁。

：唐銘（1991—），女，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91434205，21406194）；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（21525627）；浙江省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（LR14B060001）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20130101110063）。

Received date: 2016-07-01.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (91434205, 21406194), the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China(21525627), the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LR14B060001) and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20130101110063).