流化床聚合反應(yīng)器分布器設(shè)計(jì)

李曉霞,吳黎濤

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

流化床反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于聚乙烯、聚丙烯的生產(chǎn)過(guò)程，是聚合反應(yīng)過(guò)程的核心設(shè)備。流化床反應(yīng)器一般由筒體、分布器和擴(kuò)大段三部分組成【1】。其中，為實(shí)現(xiàn)流化床反應(yīng)器的流態(tài)化操作，分布器是必不可少的主要構(gòu)件。雖然分布器在整個(gè)流化床上方的直接作用范圍僅0.2～0.3 m，然而其對(duì)反應(yīng)器獲得良好的流化效果、穩(wěn)定的操作以及傳質(zhì)、傳熱效果、氣泡的生成長(zhǎng)大等過(guò)程均起著決定性的作用【2】。尤其在聚合反應(yīng)過(guò)程中，如因分布器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)使得分布器上方存在顆粒不動(dòng)的死區(qū)，將會(huì)引發(fā)局部過(guò)熱現(xiàn)象乃至出現(xiàn)熔融結(jié)塊【1】。

在流化床聚合反應(yīng)器中，分布器的主要作用包括：1)優(yōu)化流體的分布，并使得流體通過(guò)分布器的能耗最??；2)在分布器附近形成良好的氣固接觸，使得所有粒子都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而消除死區(qū)；3)支撐數(shù)十噸到數(shù)百?lài)嵕垡蚁┗蚓郾┓哿系拈L(zhǎng)周期操作，尤其是在緊急停車(chē)后，需保證聚乙烯或聚丙烯粉料不會(huì)通過(guò)分布器漏入下方的氣室中。

流化床聚合反應(yīng)器內(nèi)的分布器有多種結(jié)構(gòu)形式，例如多孔板形分布器、泡罩形分布器、錐形分布器、兩對(duì)頂圓錐組成的氣體分布器、由固定和活動(dòng)分布器組成的分布器、在多孔板上安裝氣流再分布構(gòu)件的分布器等【2-3】。文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，多孔板上會(huì)存在死區(qū)，而死區(qū)高度隨氣體速度的增加和銳孔間距的減小會(huì)明顯降低。在多孔板上安裝氣流再分布部件，對(duì)于防止、消除死區(qū)和強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)具有顯著效果【4】。一般而言，氣相聚合流化床多選用側(cè)流式的錐帽形、半圓帽形或半弧形多孔分布器。為防止聚合物顆粒沉積在分布器上，還要求錐帽連續(xù)噴氣形成氣泡。

氣體分布器的設(shè)計(jì)是流化床反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難題之一，本文基于某工業(yè)流化床反應(yīng)器，以錐帽形多孔分布器為例，探討分布器的開(kāi)孔率、壓降、孔間距等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以生產(chǎn)某牌號(hào)的聚烯烴流化床反應(yīng)器為例進(jìn)行計(jì)算。其主要參數(shù)為：分布器附近的床層表觀操作氣速U0=0.68 m/s，起始流化氣速Umf=0.12 m/s；顆粒密度ρp=921 kg/m3，堆積密度350 kg/m3，氣相密度ρg=25.1 kg/m3；起始流化時(shí)床層空隙率εmf=0.47，顆粒正常流化時(shí)床層空隙率εf=0.65；床層溫度Tb=90 ℃，分布器下部溫度Td=50 ℃；反應(yīng)器壓力P=2.3 MPa；反應(yīng)器直徑DT=4 m，直筒段高H=13 m，床層高度Hf=12.5 m；流化密度228 kg/m3；最大顆粒粒徑1 420 μm，平均顆粒粒徑860 μm。

2 開(kāi)孔率

在分布器設(shè)計(jì)中，首先需要確定分布器的開(kāi)孔率和壓降，其中開(kāi)孔率是氣體均勻分布的關(guān)鍵。研究者郭慕孫【3】根據(jù)氣體分布器穩(wěn)定操作的原理，提出了分布器臨界開(kāi)孔率α的概念，并將其定義為分布器的壓力降ΔPd與操作氣速無(wú)關(guān)時(shí)的分布器最大開(kāi)孔率，其基本原理如圖1所示。圖1中分布器的壓力降ΔPd(單位：kg/m2)和床層的壓力降ΔPb(單位：kg/m2)之和為氣體通過(guò)流化床層的總壓力降ΔP(單位：kg/m2)。

圖1 分布器穩(wěn)定操作原理

ΔP=ΔPb+ΔPd

(1)

根據(jù)床層總壓力降隨操作氣速的變化趨勢(shì)，分布器可分為高壓降分布器、低壓降分布器和最佳壓降分布器三類(lèi)。當(dāng)氣速達(dá)到起始流化氣速Umf后，高壓降分布器的壓降隨操作氣速的增大而增大，低壓降分布器的壓降隨操作氣速的增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，最佳壓降分布器的壓降隨操作氣速的增大保持穩(wěn)定不變。

流化床反應(yīng)器中采用高壓降的分布器時(shí)，床層中顆粒流化均勻，反應(yīng)器系統(tǒng)操作穩(wěn)定，但是反應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)能耗較大，對(duì)于氣相聚合流化床來(lái)說(shuō)是多余的能量損失，因此不宜采用高壓降的分布器。若流化床反應(yīng)器采用低壓降的分布器，則部分氣體很可能以溝流和騰涌的形式通過(guò)床層，使得床層內(nèi)氣體分布不均勻，導(dǎo)致床層易產(chǎn)生死區(qū)和分布器堵塞，進(jìn)而影響流化床反應(yīng)器的流化效果。當(dāng)流化床反應(yīng)器采用最佳壓降的分布器時(shí)，分布器的開(kāi)孔率適中，床層的總壓降在氣速達(dá)到起始流化速度后不隨U0的增大而變化，因此分布器的操作穩(wěn)定性最好。

分布器的臨界開(kāi)孔率αc的計(jì)算式為：

(2)

(3)

式中:ξ——阻力系數(shù)，對(duì)于錐帽側(cè)縫分布器，

ξ=2.0;

g——重力加速度，m/s2。

根據(jù)(2)和式(3)式可計(jì)算得出：在本設(shè)計(jì)條件下，分布器的臨界開(kāi)孔率為0.023。由于實(shí)際的分布器開(kāi)孔率α須小于臨界開(kāi)孔率，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該分布器開(kāi)孔率取為0.020。這一數(shù)值已通過(guò)多個(gè)流化床反應(yīng)器的成功運(yùn)行得到了驗(yàn)證，也符合一般經(jīng)驗(yàn)要求的開(kāi)孔率范圍0.010～0.030。

3 分布器壓降

在工程設(shè)計(jì)中，流化床反應(yīng)器的分布器壓降往往采用床層表觀氣速的速度頭倍數(shù)來(lái)表示，如式(4)所示。

(4)

阻力系數(shù)ξ取值范圍為1.5～2.5。對(duì)于錐帽側(cè)縫分布器，ξ=2.0。

當(dāng)分布器下游無(wú)顆粒物料時(shí)，使氣體在分布器中分布均勻的最小阻力稱(chēng)為分布器的臨界空床壓降(ΔPB)。當(dāng)分布器下游有顆粒物料時(shí)，使流體均勻分布且流化床層具有良好穩(wěn)定性的最小壓降為分布器臨界壓降(ΔPD)，此時(shí)床層中的死床現(xiàn)象消失，床層中形成穩(wěn)定良好的流態(tài)化操作，氣相在分布器中也能均勻分布。將分布器的臨界空壓降比Rc定義為分布器臨界壓降(ΔPD)與分布器臨界空床層壓降(ΔPB)之比，如式(5)所示。

Rc=ΔPD/ΔPB

(5)

當(dāng)床層中氣體速度逐漸增加、分布器壓降達(dá)到臨界壓降時(shí)，床層中才會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的流化效果，因此分布器的壓降比R必須大于臨界壓降比Rc。分布器的壓降比R越大，氣體通過(guò)分布器的阻力越大，分布越均勻，但是需要的能耗越高，分布器和顆粒的磨損也相對(duì)嚴(yán)重，因此不宜采用過(guò)大的壓降比進(jìn)行分布器設(shè)計(jì)。R取值范圍一般為0.1～0.4，在氣相聚合流化床分布器設(shè)計(jì)時(shí)取R≥0.3。根據(jù)上述兩種算法可得到兩個(gè)分布器壓降計(jì)算值，考慮在工業(yè)的流化床反應(yīng)器中，通常床的直徑和高度較大，因此應(yīng)該取其中較大值作為流化床反應(yīng)器中分布器壓降的設(shè)計(jì)值。

4 開(kāi)孔數(shù)、孔徑和孔間距

基于分布器上前后生成的兩個(gè)氣泡不聚并的原則，采用式(6)計(jì)算分布器上臨界開(kāi)孔數(shù)Nor(最小開(kāi)孔數(shù))。

Nor=0.082g2AT/(Uo-Umf)4

(6)

式中:AT——分布器面積，m2。

根據(jù)流化床反應(yīng)器內(nèi)徑可以確定分布器的直徑，進(jìn)而計(jì)算分布器的面積，代入式(6)即可計(jì)算分布器的臨界開(kāi)孔數(shù)。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際開(kāi)孔數(shù)應(yīng)該大于臨界開(kāi)孔數(shù)，如果開(kāi)孔數(shù)太少，可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器中產(chǎn)生射流或者顆粒流化不充分，進(jìn)而使分布器上方出現(xiàn)死區(qū)。

在選定分布器開(kāi)孔率之后，應(yīng)合理安排孔徑和孔間距，因此分布器涉及到小孔的排列方式(正三角形排列、正方形排列和同心圓排列)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，氣相聚合流化床的分布器設(shè)計(jì)時(shí)，多采用正三角形排列。這種排列方式可以使氣流均勻且穩(wěn)定分散在流化床中，有效防止死區(qū)的形成和顆粒的沉降。同時(shí)綜合考慮機(jī)械加工需求和開(kāi)孔在分布器上的排布，可確定開(kāi)孔數(shù)和孔間距。對(duì)于正三角形排列，根據(jù)開(kāi)孔率和開(kāi)孔數(shù)、分布器面積，即可計(jì)算得到孔徑。

(7)

式中:Not——分布器開(kāi)孔數(shù);

Dt——反應(yīng)器直徑,m;

dot——分布器開(kāi)孔直徑,mm。

若分布器采用的孔徑過(guò)小，則顆粒容易堵塞分布器，同時(shí)造價(jià)成本高；若分布器采用的孔徑過(guò)大，則氣體通過(guò)分布器的壓降較低，導(dǎo)致顆粒的流化質(zhì)量變差。結(jié)合多個(gè)流化床反應(yīng)器的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最終選擇本設(shè)計(jì)條件下的孔徑為15 mm，開(kāi)孔數(shù)為1420個(gè)。

5 結(jié)論

1) 建立了氣相聚合流化床反應(yīng)器錐帽形多孔分布器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，推薦的設(shè)計(jì)步驟為：先計(jì)算臨界開(kāi)孔率，再根據(jù)推薦的壓降比計(jì)算分布器壓降，最后根據(jù)推薦的小孔排列方式及開(kāi)孔率確定開(kāi)孔數(shù)、孔徑和孔間距。分布器的合理設(shè)計(jì)對(duì)流化床反應(yīng)器的穩(wěn)定操作至關(guān)重要，此設(shè)計(jì)方法為流化床反應(yīng)器分布器的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)。

2) 利用提出的錐帽形多孔分布器的設(shè)計(jì)方案，確定實(shí)際工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與規(guī)模下(分布器直徑4 m)，分布器的開(kāi)孔率為0.02，其開(kāi)有1420個(gè)直徑15 mm的小孔，并按照等邊三角形排列；每個(gè)小孔上均罩有一段放置的水平半圓形錐帽，使氣流沿分布器水平噴出，以消除板上可能出現(xiàn)的死區(qū)，并防止顆粒落入分布器以下氣室。