溢流式攪拌釜反應(yīng)器內(nèi)多相流動與混合的理論研究與工程優(yōu)化.pdf

1、化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，攪拌釜常常在化學(xué)工業(yè)中作為反應(yīng)器使用，因而具有舉足輕重的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌釜的混合性能會直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、過程經(jīng)濟性、環(huán)境污染等問題。對于攪拌釜的研究開始較早，但由于其涉及的因素極為復(fù)雜，對其的認(rèn)識尚不深入。尤其對于工業(yè)中常見的三相攪拌體系，因其同時存在著均相混合、氣液分散、固液懸浮三方面的問題，已有的研究結(jié)果還不系統(tǒng)和成熟，嚴(yán)重地束縛了對攪拌釜的設(shè)計和操作優(yōu)化。
　　 乙烯淤漿聚合

2、工藝（CX工藝）裝置的擴能與放大即為一例。CX工藝使用氣液固三相攪拌釜作為反應(yīng)器，由于聚合反應(yīng)過程與攪拌釜多相流動極其復(fù)雜，在聚合釜的放大研究過程中遇到了四大難題，即攪拌槳軸向混合性能不佳、漿液外循環(huán)技術(shù)理論基礎(chǔ)缺乏、聚合釜頂漿液夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重、聚合釜熱質(zhì)傳遞及操作特性研究不足。對此四大難題的研究將極具科學(xué)意義和工程意義。
　　 本論文針對CX工藝的溢流式多層槳攪拌釜，采用聲發(fā)射檢測技術(shù)、計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法為主要研

3、究手段，輔以希爾伯特-黃變換(HHT)信號分析方法、以期揭示四大難題的理論本質(zhì)，進而提出相應(yīng)的工程解決方案。論文對攪拌釜流場、外循環(huán)的三相混合效果、漿液夾帶發(fā)生機理、攪拌釜的熱質(zhì)傳遞過程等方面做了深入的理論研究，建立了以聲發(fā)射技術(shù)結(jié)合HHT分析的新型檢測方法和多個過程參數(shù)預(yù)測模型，提出了一系列聚合裝置的優(yōu)化改造方案，研究結(jié)果對工業(yè)攪拌釜反應(yīng)器的操作及設(shè)計均具有重要的指導(dǎo)意義。論文主要開展了以下五方面的研究工作:
　　 1.借助F

4、luent軟件進行多層槳攪拌釜內(nèi)均相流場模擬，研究乙烯淤漿聚合攪拌釜反應(yīng)器各層槳葉及其相關(guān)內(nèi)件的作用，從而分析現(xiàn)有攪拌槳的優(yōu)劣。進一步，針對現(xiàn)有攪拌槳的不足，借助CFD模擬對其進行優(yōu)化設(shè)計，提出一種新型的組合式多層攪拌槳。
　　 1)利用CFD進行CX工藝聚合釜內(nèi)流場模擬，深入認(rèn)識原有攪拌槳各部分的作用及其不足。發(fā)現(xiàn)原有攪拌槳存在著軸向混合不足、分區(qū)嚴(yán)重、圓盤上方混合較弱等缺點，因而嘗試對其進行優(yōu)化改造。
　　 2)利用

5、CFD對攪拌槳進行優(yōu)化。將上層槳葉的圓盤直徑增大，并確定增大兩個葉片長為最佳條件。上層槳葉圓盤增大后圓盤下方軸向混合得到強化，氣體停留時間更長。
　　 3)將中層槳葉改為45°斜葉圓盤渦輪，并確定上流式渦輪為最佳選擇。中層槳葉優(yōu)化后釜中間區(qū)域軸向混合加強，分區(qū)得到很大程度減弱。
　　 4)在頂部添加一個45°上流式斜葉渦輪，其槳徑與中層槳葉一致。頂部槳改善了攪拌釜上部區(qū)域的混合效果，并有調(diào)整流型及控制漿液夾帶的作用。

6、r>　　 2.通過冷模實驗研究外循環(huán)對于多相攪拌釜內(nèi)均相混合、氣液分散、固液懸浮三方面的影響，揭示外循環(huán)的流體混合作用。在此基礎(chǔ)上，提出外循環(huán)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)依據(jù)，并借助CFD模擬進行外循環(huán)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計，在保證外循環(huán)撤熱能力的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其多相流體混合行為。
　　 1)外循環(huán)流量影響了全釜混合效果，一定程度的外循環(huán)能夠增強釜內(nèi)軸向混合，從而降低全釜混合時間;過大流量的外循環(huán)會對原有的多個小循環(huán)的良好流場造成破壞，從而不利于混合

7、，增大了混合時間。外循環(huán)的流速影響了局部混合效果。外循環(huán)流速越大，其對入射口附近的流場沖擊越大，這種沖擊甚至可能影響到全釜的流型。
　　 2)建立了聲發(fā)射技術(shù)結(jié)合HHT分析的攪拌釜臨界分散轉(zhuǎn)速的測量技術(shù)，并利用該技術(shù)測量不同外循環(huán)流量下的攪拌釜臨界分散轉(zhuǎn)速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，代表攪拌釜氣液分散性能的臨界分散轉(zhuǎn)速隨外循環(huán)流量的增加而變大，即外循環(huán)越大氣液分散狀況越差。其主要原因為，外循環(huán)增大了釜內(nèi)的軸向流動而減弱了徑向流動，而攪拌釜內(nèi)氣體

8、的分散更多地依靠徑向流動。因此，外循環(huán)對氣液分散是不利的。
　　 3)建立了聲發(fā)射技術(shù)結(jié)合HHT分析的攪拌釜臨界懸浮轉(zhuǎn)速的測量技術(shù)，并利用該技術(shù)測量不同外循環(huán)流量下的攪拌釜臨界懸浮轉(zhuǎn)速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，代表攪拌釜固液懸浮性能的臨界懸浮轉(zhuǎn)速隨外循環(huán)流量的增加而變小，即外循環(huán)越大固液懸浮效果越好。其主要原因為，外循環(huán)增大了釜內(nèi)的軸向流動而減弱了徑向流動，而攪拌釜內(nèi)固體的懸浮更多地依靠軸向流動。因此，外循環(huán)對固液懸浮是有利的。
　　

9、 4)從外循環(huán)入射流速及流量、注入高度、入射角度三個方面對CX工藝聚合釜的外循環(huán)技術(shù)進行優(yōu)化，提出相應(yīng)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。具體來說，外循環(huán)流量應(yīng)滿足對氣液分散影響不大于20％、撤熱能力增加至少20％兩個條件，從而確定最佳的外循環(huán)流量為400 m3·h-1至600 m3·h-1，優(yōu)選580 m3·h-1;外循環(huán)流速應(yīng)滿足不造成外循環(huán)管道內(nèi)固體沉積和粘壁現(xiàn)象、對流場局部沖擊盡可能小兩個條件，從而確定最佳的外循環(huán)流速為4m·s-1～9m·s-1，優(yōu)選

10、為6 m·s-1;外循環(huán)注入高度應(yīng)滿足軸向流量盡可能小、周向流量盡可能大、徑向流量指向攪拌軸三個條件，從而確定最佳的外循環(huán)注入高度為1.9 m～2.3 m，優(yōu)選2.05 m;外循環(huán)角度應(yīng)滿足盡可能使水平流動轉(zhuǎn)化為垂直方向的軸向流動這一條件，從而確定最佳的外循環(huán)入射角度為45°～60°，優(yōu)選60°。
　　 3.利用聲發(fā)射檢測技術(shù)和多相流動理論對CX工藝中聚合釜的漿液夾帶現(xiàn)象進行檢測與理論建模。一方面，建立實驗室冷模裝置，并利用聲發(fā)

11、射技術(shù)實現(xiàn)霧沫夾帶量的定量檢測，并將該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)聚合裝置，實時在線地檢測漿液夾帶量，為裝置的優(yōu)化控制提供技術(shù)保證。另一方面，基于多相流動理論建立漿液夾帶的理論模型，并在此理論模型的基礎(chǔ)上提出裝置的改進建議，以期有效控制漿液夾帶現(xiàn)象，實現(xiàn)裝置的長周期穩(wěn)定運行。
　　 1)利用聲發(fā)射技術(shù)，輔以HHT分析方法，對冷模實驗裝置及工業(yè)聚合釜進行霧沫（漿液）夾帶量的在線檢測，以期建立霧沫（漿液）夾帶量的聲發(fā)射預(yù)測模型。首先，進行水平管道

12、氣液兩相流的霧沫夾帶量的定量檢測實驗，得到了霧沫夾帶量的聲發(fā)射預(yù)測模型，其平均相對誤差為10.3％，初步證明了聲發(fā)射檢測霧沫夾帶量的可行性。其次，利用實驗室攪拌釜冷模裝置得到了霧沫夾帶量與通氣速率的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，并進一步驗證了聲發(fā)射檢測技術(shù)的可行性。最后，將聲發(fā)射檢測技術(shù)成功用于工業(yè)聚合裝置，關(guān)聯(lián)得到的較為準(zhǔn)確的結(jié)果。由此，我們得到了一種霧沫（漿液）夾帶量的實時在線檢測方法。
　　 2)對攪拌釜內(nèi)漿液進行擬液相處理，從氣液兩相流動

13、理論及氣液攪拌混合理論出發(fā)，建立了攪拌釜內(nèi)漿液夾帶的理論模型。該理論模型分為液面夾帶機理及液面以上空間夾帶機理兩部分。
　　 3)以得到的攪拌釜內(nèi)漿液夾帶理論模型為基礎(chǔ)，提出了兩種減少漿液夾帶的聚合裝置優(yōu)化方案，即使用新型攪拌槳的聚合釜（槳型優(yōu)化）和帶擴大段的聚合釜（釜型優(yōu)化）。
　　 4.深入研究生產(chǎn)負(fù)荷變化過程中乙烯淤漿聚合反應(yīng)器的操作性能?？疾焐a(chǎn)負(fù)荷對聚合反應(yīng)重要參數(shù)（如漿液濃度、停留時間、聚合得率等）的影響，分

14、析負(fù)荷變化過程中聚合釜的撤熱情況，研究氣液分散傳質(zhì)性能隨負(fù)荷的變化情況。
　　 1)對生產(chǎn)負(fù)荷從6.5 t·h-1提高到7.5 t·h-1的過程作詳細(xì)分析。通過計算發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵操作參數(shù)隨負(fù)荷升高有著顯著的變化。負(fù)荷升高以后漿液濃度顯著增大，在7.5 t·h-1的生產(chǎn)負(fù)荷下已經(jīng)超過了設(shè)計值。催化劑停留時間顯著減小，同時也導(dǎo)致催化劑得率變低、產(chǎn)品的灰分增大。另外，負(fù)荷提高后循環(huán)氣流量大大增加，一方面釜頂換熱器負(fù)荷吃緊，另一方面漿液的夾帶

15、將會愈加嚴(yán)重，因而裝置的長周期運行受到影響。
　　 2)進行熱量衡算分析，結(jié)果表明負(fù)荷升高后裝置的總撤熱能力略顯不足，釜頂換熱器基本已滿負(fù)荷是其主要因素。
　　 3)通過氣液傳質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷升高后攪拌釜中氣液傳質(zhì)情況有所惡化，主要體現(xiàn)在臨界分散轉(zhuǎn)速升高、平均氣泡直徑增大、比界面積和傳質(zhì)系數(shù)下降。
　　 5.利用幾何相似放大和非幾何相似放大兩種方法進行年產(chǎn)30萬噸HDPE聚合釜的放大設(shè)計。
　　 1)利用

16、幾何相似放大方法進行聚合釜放大設(shè)計，得到直徑5.2 m、總高7.96m、體積為150 m3的聚合釜，其結(jié)構(gòu)與原聚合釜完全一致。
　　 2)選用新型的帶有擴大段的聚合釜進行非幾何放大，以夾帶區(qū)表觀氣速一致、漿液區(qū)高徑比調(diào)整至1.3為放大準(zhǔn)則進行聚合釜結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計得到的聚合釜夾帶區(qū)釜徑5.2 m，漿液區(qū)釜徑4.48 m，總高8.45 m，總體積127 m3。
　　 3)將新型聚合釜與幾何相似放大所得聚合釜相比，發(fā)現(xiàn)其可以節(jié)