聚合釜內(nèi)組合式攪拌器安裝定位尺寸參數(shù)優(yōu)化模擬

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(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

1932年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司(ICI)首次制得了高壓聚乙烯[1]。聚乙烯產(chǎn)品化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，具有優(yōu)良的耐低溫性能，加之生產(chǎn)原材料價(jià)格低廉，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-5]。

聚乙烯的原材料主要來(lái)自石油裂解產(chǎn)生的乙烯和丙烯等，乙烯聚合釜是聚乙烯生產(chǎn)裝置的主要工藝設(shè)備。隨著聚烯烴產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，乙烯聚合釜和釜內(nèi)攪拌器的尺寸不斷增大，按傳統(tǒng)的等比例放大方法設(shè)計(jì)攪拌器的實(shí)驗(yàn)室研究方案已經(jīng)很難滿足工程實(shí)際的需要。此外，受實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和測(cè)量方法的限制，采用實(shí)驗(yàn)方法確定大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)攪拌器設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性極低。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了復(fù)雜攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用CFD技術(shù)對(duì)攪拌槽進(jìn)行數(shù)值模擬,極大地解除了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)規(guī)模、實(shí)驗(yàn)成本及實(shí)驗(yàn)周期等對(duì)研究者在兩相流的混合時(shí)間預(yù)測(cè)、氣液分散體系等方面研究工作的制約，因而越來(lái)越受到科研技術(shù)人員的重視[6-9]。目前有關(guān)聚合釜固-液兩相流的研究，主要集中在單層或雙層攪拌器結(jié)構(gòu)方面，而對(duì)于不同類型的攪拌槳組合結(jié)構(gòu)下的

流場(chǎng)研究依然匱乏[10-14]。

1 乙烯聚合釜及組合式攪拌器物理模型

1.1 聚合釜及釜內(nèi)攪拌器結(jié)構(gòu)

某公司30 m3乙烯聚合釜及釜內(nèi)組合式攪拌器結(jié)構(gòu)見圖1。

聚合釜的內(nèi)徑為2 800 mm，其筒體段的長(zhǎng)度為4 760 mm，兩凸緣之間距離6 388 mm，4個(gè)槳葉的直徑均為1 200 mm。C1、C2、C3和C4分別表示底層槳葉離攪拌釜底距離和相鄰槳葉層的間距。

圖1 30 m3乙烯聚合釜及釜內(nèi)攪拌器結(jié)構(gòu)示圖

釜內(nèi)組合式攪拌器包含4層3種結(jié)構(gòu)的攪拌槳(圖2)，其中最上面2層為三葉翼形攪拌槳，其下1層為六半橢圓管圓盤渦輪槳(6-HEDT)，第4層為三葉后掠式攪拌槳。

圖2 各層攪拌槳結(jié)構(gòu)示圖

圖2中3種攪拌槳直徑均為1 200 mm，其他結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

這3種攪拌漿結(jié)構(gòu)不同，在聚合釜內(nèi)安裝的高度不同，起到的攪拌作用也不同。其中三葉后掠式攪拌槳有防止聚乙烯顆粒在釜底沉積結(jié)塊作用，有利于保證聚合產(chǎn)物的品質(zhì)。6-HEDT攪拌槳具有較強(qiáng)的剪切力，能夠促進(jìn)釜內(nèi)氣液分散。三葉翼形攪拌槳屬于軸流式攪拌槳，可以強(qiáng)化釜內(nèi)漿液的軸向流動(dòng)，避免釜內(nèi)出現(xiàn)明顯的流動(dòng)死區(qū)，保證釜內(nèi)介質(zhì)混合均勻。

表1 攪拌槳尺寸參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用三維軟件PROE對(duì)聚乙烯聚合釜進(jìn)行建模，并應(yīng)用MESH模塊對(duì)模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，邊界條件定義在前處理器GAMBIT中完成。聚合釜網(wǎng)格模型見圖3。

由于聚合釜結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故對(duì)其攪拌軸、葉片等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[15]。聚合釜的釜內(nèi)攪拌槳網(wǎng)格加密模型見圖4。

圖3 聚乙烯聚合釜模型

圖4 聚合釜內(nèi)攪拌槳網(wǎng)格模型

經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后，最終確定槳葉附近動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為120萬(wàn)左右，靜區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為90萬(wàn)左右。

計(jì)算物系液相密度為600 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.000 39 Pa·s，固體的顆粒密度為950 kg/m3，顆粒直徑為50 μm。

1.3 研究?jī)?nèi)容及模擬方法

聚合釜內(nèi)流場(chǎng)分布受多種因素的影響，采用單獨(dú)改變一種因素的方法分析組合式攪拌器安裝定位尺寸參數(shù)C1、C2、C3和C4對(duì)聚合釜內(nèi)固-液兩相流的影響。固-液兩相流的流場(chǎng)模擬采用歐拉法，此方法具有計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，在高濃度的固-液兩相流模擬中應(yīng)用較廣[16-17]。

模擬過程中，采用歐拉多相流模型，設(shè)置主相為液體，離散相為固體顆粒。槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域和其他靜

止區(qū)域采用多重參考系法(MRF)處理[18]。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)模型，標(biāo)準(zhǔn)壓力-速度耦合采用SEMPLE算法，一階迎風(fēng)差分格式。以監(jiān)測(cè)攪拌軸扭矩的方式確定計(jì)算是否收斂，當(dāng)扭矩不再變化時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 乙烯聚合釜內(nèi)固-液兩相流模擬結(jié)果及分析

2.1 槳葉層參數(shù)C1影響

2.1.1軸截面分布模擬

通過改變乙烯聚合釜內(nèi)組合式攪拌器的安裝定位尺寸參數(shù)C1，對(duì)聚合釜內(nèi)固-液兩相流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

C1為200 mm、300 mm、400 mm、500 mm時(shí)，聚合釜內(nèi)軸截面液相速度矢量分布和固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布情況分別見圖5和圖6。

圖5 不同C1取值條件下聚合釜內(nèi)軸截面液相速度矢量分布

圖6 不同C1取值條件下聚合釜內(nèi)軸截面固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

比較圖5a～圖5d可知，C1=200 mm時(shí)聚合釜內(nèi)液相速度最大，隨著C1的增大，液相速度緩慢減小。圖6a～圖6d一致表明，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)在聚合釜底部最大，液面附近出現(xiàn)明顯的分液層。這些都與聚合釜內(nèi)固、液兩相的密度有關(guān)，已知液相(己烷)和固相(顆粒)的密度分別為600 kg/m3和950 kg/m3，在密度差作用下輕重兩相趨于分離，同時(shí)在攪拌器的作用下輕重兩相趨于混合，槳葉的形式和安裝位置最終決定了聚乙烯顆粒在釜底出現(xiàn)不同程度堆積和固-液混合物在液面附近的不同程度分層。

從圖6還可以知道，當(dāng)C1由200 mm增加到400 mm時(shí)，最底部一層槳葉的攪拌作用明顯，釜底的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)由54.1%逐漸降低到46.6%。當(dāng)C1再增大時(shí)，槳葉對(duì)物料的攪拌作用范圍整體上移，三葉后掠式攪拌槳對(duì)聚合釜底固體顆粒的懸浮作用逐漸減弱，釜底固體顆粒逐漸堆積，其體積分?jǐn)?shù)增大到47.8%。這可以解釋為，底層槳葉在C1較小時(shí)排出的漿液行程較短，其流型無(wú)法完全展開，葉輪下部區(qū)域流動(dòng)較弱，隨著C1的增大，底層槳葉的流型得以充分展開，形成了明顯的平行流。

2.1.2分析線分布模擬

為了進(jìn)一步分析聚合釜內(nèi)固相顆粒的分布情況，在攪拌器附近設(shè)置軸向分析線A1，在攪拌槳與聚合釜壁面中間位置設(shè)置軸向分析線A2，在底層槳葉與第三層槳葉之間設(shè)置徑向分析線L1，在第一層與第二層槳葉之間設(shè)置徑向分析線L2，見圖7。

為了方便研究，對(duì)聚合釜內(nèi)漿液的各向速度作如下定義，由攪拌軸指向聚合釜壁面的徑向速度方向?yàn)檎c組合式攪拌器的旋轉(zhuǎn)方向相同的切向速度方向?yàn)檎?，與漿液重力加速度方向不同的軸向速度方向?yàn)檎齕19-20]。在此基礎(chǔ)上對(duì)聚合釜內(nèi)分析線A1、A2、L1、L2的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行數(shù)值化分析，得到的分布曲線見圖8。

圖7 分析線A1、A2、L1、L2位置

由圖8可知，不同C1條件下，軸向上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布基本一致，且其最小值均隨著C1的增加而逐步向上移動(dòng)。當(dāng)C1=200 mm時(shí)，軸向和徑向上固相顆粒體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)均較大，徑向上攪拌槳頂端區(qū)域固相顆粒體積分?jǐn)?shù)明顯高于C1為300 mm、400 mm及500 mm條件下的相顆粒體積分?jǐn)?shù)，與圖6中軸截面的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布一致。綜合考慮聚合釜內(nèi)最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)及釜內(nèi)軸向和徑向方向上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布情況，得到組合式攪拌器適宜的離底距離C1為400 mm。

2.2 槳葉層參數(shù)C2影響

2.2.1軸截面分布模擬

改變乙烯聚合釜內(nèi)組合式攪拌器的安裝定位尺寸參數(shù)C2，分別模擬C2為800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm時(shí)的釜內(nèi)液流場(chǎng)特性。不同C2條件下聚合釜軸截面液相速度矢量分布和固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布分別見圖9和圖10。

圖8 不同C1取值條件下聚合釜內(nèi)4條分析線的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線

圖9 不同 C2取值條件下聚合釜內(nèi)軸截面液相速度矢量分布

圖10 不同 C2取值條件下聚合釜內(nèi)軸截面固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

由圖9可知，攪拌槳之間的相互作用隨著C2的增大而減弱。在頂部?jī)蓴嚢铇~輪頂端附近，漿液被旋轉(zhuǎn)葉輪以一定的傾角向下甩出，撞擊到聚合釜壁面時(shí)，漿液改變了運(yùn)動(dòng)的方向，由原先的向下射出，改為向上流動(dòng)，由于葉輪的這種作用，在此區(qū)域內(nèi)漿液形成了4個(gè)漩渦。

由圖10可以知道，當(dāng)C2從900 mm增大到1 100 mm時(shí)，兩槳葉之間的相互作用逐漸減弱，合釜釜底的最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，由46.6%增大到50.7%。在攪拌軸所處的圓心區(qū)域，低固相顆粒體積分?jǐn)?shù)區(qū)域逐漸增大，液面附近的清液層逐漸減小。

2.2.2分析線分布模擬

C2為800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm時(shí),聚合釜內(nèi)分析線A1、A2、L1、L2的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布見圖11。

圖11 不同C2取值條件下聚合釜內(nèi)4條分析線的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線

由圖11可知，C2的改變對(duì)聚合釜內(nèi)固相顆粒體積分?jǐn)?shù)在軸向的分布影響很小，A1、A2兩條軸向分析線上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布基本一致，最小固相顆粒體積分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)在葉輪頂端附近并隨著C2的改變而改變，但固相顆粒體積分?jǐn)?shù)總體集中在0.1附近。

由圖11a和圖11b可知，在靠近葉輪頂端附近區(qū)域，漿液固相顆粒體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)較大，在遠(yuǎn)離葉輪頂端區(qū)域，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)較小。由圖11c和圖11d可知，C2=800 mm時(shí)，徑向分析線上固相顆粒體積分?jǐn)?shù)明顯低于C2為900 mm、1 000 mm和1 100 mm時(shí)徑向分析線上固相顆粒體積分?jǐn)?shù)。C2為900 mm、1 000 mm和1 100 mm時(shí)，徑向分析線方向上固相顆粒體積分?jǐn)?shù)均在葉輪頂端附近達(dá)到最大，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)集中在0.04～0.12。綜合考慮聚合釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)及釜內(nèi)軸向分析線(A1、A2)和徑向方分析線(L1、L2)的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布情況，得到組合式攪拌器安裝定位尺寸參數(shù)C2的適宜取值為900 mm。

2.3 槳葉層間距C3影響

2.3.1軸截面分布模擬

改變乙烯聚合釜內(nèi)組合式攪拌器槳安裝定位尺寸參數(shù)C3，分別模擬C3為1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm、1 300 mm時(shí)的釜內(nèi)液流場(chǎng)特性。不同攪拌槳間距C3下聚合釜軸截面液相速度矢量分布和固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布分別見圖12和圖13。

圖12 不同 C3取值條件下聚合釜內(nèi)軸截面液相速度矢量分布

圖13 不同 C3取值條件下聚合釜內(nèi)軸截面固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

由圖12可以知道，攪拌槳間距C3的改變對(duì)乙烯聚合釜內(nèi)液相速度的影響很小，基本上是可以忽略不計(jì)的。由圖13可知，C3=1 200 mm時(shí)聚合釜底的最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)為46.6%，此時(shí)無(wú)論增大還是減小C3均不會(huì)使固相顆粒體積分?jǐn)?shù)減小。在聚合釜頂部的2個(gè)攪拌槳葉輪頂端區(qū)域形成了4個(gè)漩渦，流體在這4個(gè)漩渦的作用下形成了良好的循環(huán)流動(dòng)。聚合釜內(nèi)漿液整體循環(huán)良好，未見明顯的分層現(xiàn)象。當(dāng)C3=1 200 mm時(shí)，聚合釜底的最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最小。

2.3.2分析線分布模擬

C3分別為1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm、1 300 mm時(shí),聚合釜內(nèi)軸向分析線A1、A2的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線見圖14，徑向分析線L1、L2的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線見圖15。

圖14 不同 C3取值條件下聚合釜內(nèi)軸向分析線的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線

圖15 不同 C3取值條件下聚合釜內(nèi)徑向分析線的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線

由圖14和圖15可知，C3的改變對(duì)聚合釜內(nèi)軸向分析線(A1、A2)和徑向分析線(L1、L2)方向上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布影響很小，軸向上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線基本一致，徑向上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)均在葉輪頂端附近達(dá)到最大。在聚合釜近壁面區(qū)域，分析線L2上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)均大于分析線L1上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)C3=1 200 mm時(shí)，分析線L2上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)較C2為 1 000 mm、1 100 mm、1 300 mm時(shí)的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)大。

綜合考慮聚合釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)及釜內(nèi)軸向和徑向方向上的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線，得到組合式攪拌器安裝定位尺寸參數(shù)C3的適宜取值為1 200 mm。

2.4 槳葉層間距C4影響

基于Armenante等[21]對(duì)3層DT的固-液兩相流流場(chǎng)的研究結(jié)果，即隨著攪拌器組合攪拌槳層數(shù)的增加，攪拌釜釜底固相顆粒最大體積分?jǐn)?shù)不會(huì)明顯改變，可以推斷在固-液兩相流情況下，攪拌釜底固相顆粒累積的最大體積分?jǐn)?shù)主要取決于攪拌器的離底距離，因此文中不再繼續(xù)分析攪拌槳安裝定位尺寸參數(shù)C4的改變對(duì)聚合釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響。

考慮到攪拌槳安裝定位尺寸參數(shù)C4主要是為了保證聚合釜上部區(qū)域固相顆粒分布的均勻程度，結(jié)合前述組合式攪拌器安裝定位尺寸參數(shù)C1、C2和C3條件下的釜內(nèi)固-液流動(dòng)特性模擬分析結(jié)果，確定C1=400 mm、C2=900 mm、C3=1 200 mm、C4=1 200 mm為該聚合釜組合式攪拌器的適宜安裝定位尺寸。

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用CFD軟件模擬了乙烯聚合釜內(nèi)組合式攪拌器安裝定位尺寸參數(shù)C1、C2、C3和C4不同取值條件下釜內(nèi)固-液兩相流的流場(chǎng)特性。CFD數(shù)值模擬結(jié)果表明，①安裝定位尺寸參數(shù)C1的改變對(duì)聚合釜底最大固相顆粒分布影響較大。C1=200 mm時(shí)，底槳的流型未完全展開，攪拌槳底部漿液流動(dòng)較弱。隨著C1的增大，聚合釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)先減小后增大，組合式攪拌器適宜的C1取值為400 mm。②隨著C2的增大，聚合釜內(nèi)兩攪拌槳之間漿液的作用逐漸減弱。當(dāng)C2=900 mm時(shí)，聚合釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)最小，軸向分析線和徑向分析線上固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布較均勻，組合式攪拌器適宜的C2取值為900 mm。③當(dāng)C3=1 200 mm時(shí)，聚合釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)最小，組合式攪拌器適宜的C3取值為1 200 mm。結(jié)合文中聚合釜內(nèi)流場(chǎng)和固相顆粒體積分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果，考慮帶多層攪拌槳攪拌釜的釜底最大固相顆粒體積分?jǐn)?shù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，確認(rèn)C4=1 200 mm為適宜的攪拌槳葉層間距。