流速對聚丙烯環(huán)管反應器內部流場的影響研究

王政文，張萬堯，董慧敏，余金錠，湯瞿明

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 國家干燥技術及裝備工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730060；2.福建中景石化有限公司，福建 福清 350309；3.中石化寧波鎮(zhèn)海煉化有限公司，浙江 寧波 315207)

1 三維建模與網格劃分

1.1 三維建模

本文所研究的工業(yè)規(guī)模聚丙烯八腿環(huán)管反應器為天華化工機械及自動化研究設計院有限公司(以下稱天華院)于2020年完成設計制造，單臺反應器要求年產量為60萬噸，使用壽命為20年，反應器內筒體材質為SA-671 Class22 CC70。主要計算參數(shù)見下表1所示。

表1 主要計算參數(shù)

本文根據聚丙烯環(huán)管反應器的二維工程圖(見圖1左圖所示)，進行三維建模(見圖1右圖所示)。建立的三維裝配圖可以直觀清晰的表明環(huán)管反應器整體的結構，建立的三維流體域(見圖2所示)，作為本文所研究內容的邊界范圍。

圖1 環(huán)管反應器二維工程圖與三維裝配圖

圖2 環(huán)管反應器三維流體域圖

由于聚丙烯八腿環(huán)管反應器，是由左右鏡像對稱的兩個四腿環(huán)管反應器組成(即R-201、R 202)，對R-201、R-202進行流場特性研究時會得到相同的結果，因此本文僅選取R-201為研究對象。

三維流體域的主要結構由四根直管段、兩個180°彎頭、一個L形彎頭(由一個90°彎頭與一個連接段組成)以及一個U形彎頭(由兩個90°彎頭與一個連接段組成)組成。為了能夠更準確且更直觀的得到反應器的三維模型，并通過使用流體力學軟件對反應器內部進行流場特性研究，決定對反應器采用1∶1比例進行三維建模。

1.2 網格劃分

本文選用計算流體力學(CFD)軟件對建立好后的聚丙烯環(huán)管反應器三維流體域進行非結構化網格劃分(見圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示)。網格劃分總數(shù)為2 575 866，并經過網格無關性驗證，且網格質量均大于0.4。

圖3 環(huán)管反應器三維流體域非結構化網格劃分結果圖

2 數(shù)學模型

模型求解計算在流體力學軟件中進行，首先將流體在環(huán)管反應器內流動的雷諾數(shù)計算出來。計算公式見式(1)所示：

通過公式(1)對雷諾數(shù)的計算得知，雷諾數(shù)遠大于4 000，表明對于本文的研究，流體在環(huán)管反應器內的流動狀態(tài)屬于湍流狀態(tài)。

對于流場中速度、壓力與湍動能的研究，計算時決定采用Realizable k-ε模型與標準壁面函數(shù)(Standard Wall Functions)，并采用穩(wěn)態(tài)模擬與SIMPLE算法對反應器三維流體域的梯度項(Gradient)與壓力項(Pressure)進行耦合計算。

2.1 Realizable k-ε模型

Realizable k-ε模型的湍動能、湍流耗散率的輸運方程分別由公式(2)、(3)表示，其中公式(3)中的C1由公式(4)表示：

在軟件中，默認設置σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9，C1ε=1.44。

湍流黏性系數(shù)公式有如公式(5)的形式，其中公式(1.5)中的Cμ由公式(6)表示，公式(6)中的U*、A0、AS分別由公式(7)、(8)表示，公式(8)中的φ由公式(9)表示，公式(9)中的W由公式(10)表示，公式(10)中的、Sij由公式(11)表示：

在平衡邊界層慣性底層，Cμ=0.09。

在流體力學軟件中，流體在流場中所受的重力、浮力以及流體的密度與溫度梯度對湍動能的影響都是存在的。但是浮力對湍流耗散率的影響不是很清楚，因此在湍流耗散率方程的默認設置中，浮力的影響不被考慮。

2.2 邊界條件

對于本文的流場特性研究，決定將環(huán)管反應器內部流體在入口面(inlet)與出口面(outlet)流動的邊界條件設置為不可壓縮流動，即速度進口(Velocity-inlet)與自由出流(Outflow)。并將反應器內液相與壁面邊界(wall)指定為無滑移條件，將固相指定為部分滑移模型[1-2]。

3 不同流速(4、10 m/s)下對反應器內部的流場分析

3.1 不同流速下的速度云圖

圖4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示為聚丙烯環(huán)管反應器內部流體在管徑為800 mm、流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的速度云圖，內容包括XY面Z=0時速度云圖、XY面Z=5.6 m時速度云圖、YZ面X=0時速度云圖、YZ面X=5.6 m時速度云圖以及XZ面Y=-1.3 m時速度云圖。

圖4 不同流速下的速度云圖

在流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的速度云圖中，速度在整個環(huán)管反應器結構中各個位置的大小變化均不明顯。這說明環(huán)管反應器在此結構下不會因為流速的改變而影響到反應器內部速度的分布情況；也能證明環(huán)管反應器在管徑為800 mm時結構的合理性，丙烯聚合反應能夠在此結構下不會因流速問題影響到反應的正常進行。

3.2 不同流速下的壓力云圖

圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示為聚丙烯環(huán)管反應器內部流體在管徑為800 mm、流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的壓力云圖，內容包括XY面Z=0時壓力云圖、XY面Z=5.6 m時壓力云圖、YZ面X=0時壓力云圖、YZ面X=5.6 m時壓力云圖以及XZ面Y=-1.3 m時壓力云圖。

圖5 不同流速下的壓力云圖

從圖5(a)中可以看出，相比于流體流速4 m/s(左圖)，流體流速在10 m/s(右圖)時，彎頭入口處彎頭外側壓力明顯變大，而彎頭出口處至直管段的位置上，彎頭內側壓力有一個由小變大再變小的過程。這可能是由于流速過大，流體流入彎頭時，對入口處彎頭外側的沖擊作用，從而導致了局部壓力變大；而流體在彎頭出口至直管段的位置上壓力的變化，可能是由于彎頭的幾何機構所引起的離心力的作用所導致的，不同流速的流體流經相同結構的彎頭時，局部能量損失是不同的，速度大的能量損失較小，速度小的能量損失較大(圖5(a)流體流動方向為右進左出)。

圖5(b)、(c)、(d)、(e)也同樣表明了不同流速的流體流經相同結構的彎頭時，速度。大的能量損失較小，速度小的能量損失較大(圖5(b)流體流動方向為左進右出，圖5(c)流體流動方向為右進左出)。

通過對比不同流速下的壓力云圖，會發(fā)現(xiàn)在流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的壓力云圖中，壓力大小在環(huán)管反應器內部有明顯的變化。這也意味著丙烯聚合反應要在環(huán)管反應器內部合適的壓力下才能正常進行。而過大的流速，流體的能量損失小，可能會導致反應不完全，從而帶來經濟損失；而較小的流速，流體的能量損失大，反應雖然徹底，但是浪費了時間成本，降低了生產效率。

3.3 不同流速下的湍動能云圖

圖6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示為聚丙烯環(huán)管反應器內部流體在管徑為800 mm、流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的湍動能云圖，內容包括XY面Z=0時湍動能云圖、XY面Z=5.6 m時湍動能云圖、YZ面X=0時湍動能云圖、YZ面X=5.6 m時湍動能云圖以及XZ面Y=-1.3 m時湍動能云圖。

圖6 不同流速下的湍動能云圖

在流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的湍動能云圖中，湍動能在整個環(huán)管反應器結構中各個位置的大小變化均不明顯。我認為這可能是由于湍動能與平均流體速度、湍流強度成正比的原因，當湍流強度為一定值時，流體在反應器內流動的平均速度越大，則湍動能越大；平均速度越小，則湍動能越小。而在流速為4 m/s(左圖)和10 m/s(右圖)時的速度云圖中，流速在整個環(huán)管反應器結構中各個位置的大小變化均不明顯，這可能是導致整個環(huán)管反應器結構中各個位置的湍動能沒有發(fā)生明顯變化的根本原因。

4 結論與結語

4.1 結論

本文根據天華院承擔的工業(yè)規(guī)模聚丙烯八腿環(huán)管反應器研制需要，對設備核心的環(huán)管反應器在相同管徑不同流速下的速度云圖、壓力云圖、湍動能云圖進行了研究與分析。通過對速度云圖的分析可知，環(huán)管反應器在此結構下不會因為流速的改變而影響到反應器內部速度的分布情況。通過對壓力云圖的分析可知，丙烯聚合反應要在環(huán)管反應器內部合適的壓力下才能正常進行。而過大的流速能量損失小，可能會導致反應不完全，從而帶來經濟損失；而較小的流速能量損失大，反應雖然徹底，但是浪費了時間成本，降低了生產效率。通過對湍動能云圖的分析可知，湍動能在整個環(huán)管反應器結構中各個位置的大小變化均不明顯，這可能是由于湍動能與平均流體速度、湍流強度成正比的原因，由于流速在整個環(huán)管反應器結構中各個位置的大小變化均不明顯，從而導致湍動能也沒有發(fā)生明顯變化。通過對相同管徑不同流速下的速度云圖、壓力云圖與湍動能云圖的研究與分析，不僅模擬出了流體在流場中速度、壓力與湍動能在不同工況下的大小變化情況，還驗證了環(huán)管反應器在管徑選取為800 mm時結構與參數(shù)的合理性，同時在此結構與參數(shù)下丙烯聚合反應能夠順利且正常進行，大大提高了聚丙烯的生產效率。

4.2 結語

本文對于流速對聚丙烯環(huán)管反應器內部流場的影響研究中，因涉及較多學科交叉，并需要瀏覽大量中外文獻用來熟悉聚丙烯的特性、工業(yè)應用、工藝流程與環(huán)管反應器的結構特點、研究現(xiàn)狀等。相關知識范圍非常廣，研究過程也十分復雜，因此只能對環(huán)管反應器進行以上研究與分析。而環(huán)管反應器內部流體流動時的流態(tài)復雜多樣并伴有化學反應，怎樣能夠更全面的對環(huán)管反應器內部進行模擬分析，一直是困擾多年的難題。有關環(huán)管反應器內部丙烯聚合過程的模擬研究、非均勻流動特性模擬研究等諸多問題，還需要日后進一步的去探討與研究。