環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)非均勻流動(dòng)特性的CFD模擬研究.pdf

1、環(huán)管反應(yīng)器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、撤熱快，被廣泛應(yīng)用于聚丙烯工業(yè)。然而在環(huán)管反應(yīng)器中非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)增加裝置的單位操作能耗，嚴(yán)重時(shí)甚至阻礙裝置的正常、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，研究非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制并提出改進(jìn)措施，對(duì)工業(yè)裝置的正常、平穩(wěn)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。本文以工業(yè)規(guī)模和中試規(guī)模的環(huán)管反應(yīng)器為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的研究方法，建立了環(huán)管反應(yīng)器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)三維模型，研究了環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其影響因素，并基于此提出了減弱非均勻流動(dòng)

2、的措施。主要內(nèi)容和成果包括:
　　(1)以工業(yè)級(jí)環(huán)管反應(yīng)器為研究對(duì)象，采用CFD進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，研究了工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（直管段高度和直管段數(shù)量）及操作參數(shù)（速度、顆粒粒徑、濃度）對(duì)反應(yīng)器內(nèi)非均勻結(jié)構(gòu)的影響。模擬發(fā)現(xiàn):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43時(shí)，出口截面上顆粒分布的非均勻度不隨高徑比的增加而變化;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。恒定直管段高徑比為65，直管段數(shù)量越多，

3、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。流速在7-13 m/s范圍內(nèi)，流速對(duì)非均勻度的影響較小;而降低流速至4 m/s，雖能降低出口的非均勻性，卻不利于裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。粒徑越大，固相體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)越大，出口處的非均勻度越大。進(jìn)口濃度越高，環(huán)管整體的非均勻度越小，出口處均勻性越好。
　　(2)以4條腿的工業(yè)級(jí)環(huán)管反應(yīng)器為研究對(duì)象，采用CFD模擬研究了真實(shí)物系下環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)

4、雙分散顆粒的流場(chǎng)情況，考察了不同顆粒組成對(duì)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)非均勻度的影響，并通過分析不同組成下管內(nèi)顆粒的濃度、速度分布，揭示了顆粒粒徑及分布對(duì)流動(dòng)均勻性的作用機(jī)制，結(jié)果表明:大顆粒含量越高，環(huán)管軸向的非均勻度越大，顆粒分布越不均勻，越易形成厚的顆粒帶并在直管中做螺旋運(yùn)動(dòng)，形成“環(huán)核型”濃度分布;顆粒帶在螺旋運(yùn)動(dòng)中不斷發(fā)展至均勻，但大顆粒含量越高，彎管內(nèi)外側(cè)的速度差越大，周向旋轉(zhuǎn)能力越弱，越不易發(fā)展均勻。基于上述結(jié)論提出雙分散顆粒的作用機(jī)制為

5、大顆粒對(duì)流動(dòng)均勻度的抑制作用，其表現(xiàn)在彎管處大顆粒對(duì)顆粒帶形成的促進(jìn)作用和直管中大顆粒對(duì)顆粒帶消散的抑制作用。
　　(3)以小尺寸的環(huán)管反應(yīng)器為研究對(duì)象，采用CFD模擬了不含帶連接、含無進(jìn)口帶連接及含進(jìn)口帶連接這三種具有不同結(jié)構(gòu)的環(huán)管反應(yīng)器，研究了帶連接對(duì)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)局部均勻性的影響，并基于此提出了帶連接的影響機(jī)制。結(jié)果表明:帶連接的加入會(huì)使所在環(huán)管處的非均勻度出現(xiàn)波動(dòng)，使進(jìn)口管的非均勻度急劇增大，出口管帶連接附近區(qū)域的非均勻度出

6、現(xiàn)波動(dòng)，帶連接對(duì)進(jìn)口管的影響大于出口管。帶連接對(duì)環(huán)管內(nèi)液固兩相的作用機(jī)制為進(jìn)口管處的分流作用及出口管處的集流作用。進(jìn)口管管壁處的漿液在分流作用下不斷進(jìn)入帶連接，使進(jìn)口管帶連接附近的液固兩相從均勻分布變?yōu)檫叡谙?、中心濃的分?而進(jìn)入帶連接的低濃漿液又會(huì)在出口管進(jìn)入環(huán)管與主流體匯集并向下流動(dòng)，使得出口管帶連接附近的液固兩相分布也從邊壁濃、中心稀的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫叡谙　⒅行臐獾慕Y(jié)構(gòu)。
　　(4)采用CFD對(duì)小尺寸的環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，提

7、取、分析了不同粒徑穩(wěn)定狀態(tài)下出口顆粒濃度與非均勻度隨時(shí)間的變化規(guī)律;并以環(huán)管反應(yīng)器不同位置的固相體積分?jǐn)?shù)信號(hào)為例，通過頻譜、能譜等分析，從時(shí)域、頻域?qū)用孢M(jìn)一步理解環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的非均勻流動(dòng)特性。結(jié)果表明:不同粒徑下，環(huán)管反應(yīng)器出口非均勻度和顆粒濃度均隨著時(shí)間在某一穩(wěn)定值附近波動(dòng)，而顆粒粒徑越大，非均勻度與顆粒濃度的波動(dòng)幅度及頻率也越大，越易引起軸流泵功率的波動(dòng);頻譜及能譜分析發(fā)現(xiàn)，彎管后顆粒團(tuán)聚物的形成會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)新的周期行