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

1、化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(huì)直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、過(guò)程經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境污染等問(wèn)題。對(duì)于攪拌釜的研究開(kāi)始較早，但由于其涉及的因素極為復(fù)雜，對(duì)其的認(rèn)識(shí)尚不深入。尤其對(duì)于工業(yè)中常見(jiàn)的三相攪拌體系，因其同時(shí)存在著均相混合、氣液分散、固液懸浮三方面的問(wèn)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(duì)攪拌釜的設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化。
　　 乙烯淤漿聚合

2、工藝（CX工藝）裝置的擴(kuò)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(guò)程與攪拌釜多相流動(dòng)極其復(fù)雜，在聚合釜的放大研究過(guò)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(duì)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(duì)CX工藝的溢流式多層槳攪拌釜，采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、計(jì)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(hào)分析方法、以期揭示四大難題的理論本質(zhì)，進(jìn)而提出相應(yīng)的工程解決方案。論文對(duì)攪拌釜流場(chǎng)、外循環(huán)的三相混合效果、漿液夾帶發(fā)生機(jī)理、攪拌釜的熱質(zhì)傳遞過(guò)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(cè)方法和多個(gè)過(guò)程參數(shù)預(yù)測(cè)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(duì)工業(yè)攪拌釜反應(yīng)器的操作及設(shè)計(jì)均具有重要的指導(dǎo)意義。論文主要開(kāi)展了以下五方面的研究工作:
　　 1.借助F

4、luent軟件進(jìn)行多層槳攪拌釜內(nèi)均相流場(chǎng)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(jìn)一步，針對(duì)現(xiàn)有攪拌槳的不足，借助CFD模擬對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種新型的組合式多層攪拌槳。
　　 1)利用CFD進(jìn)行CX工藝聚合釜內(nèi)流場(chǎng)模擬，深入認(rèn)識(shí)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(pán)上方混合較弱等缺點(diǎn)，因而嘗試對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改造。
　　 2)利用

5、CFD對(duì)攪拌槳進(jìn)行優(yōu)化。將上層槳葉的圓盤(pán)直徑增大，并確定增大兩個(gè)葉片長(zhǎng)為最佳條件。上層槳葉圓盤(pán)增大后圓盤(pán)下方軸向混合得到強(qiáng)化，氣體停留時(shí)間更長(zhǎng)。
　　 3)將中層槳葉改為45°斜葉圓盤(pán)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(qiáng)，分區(qū)得到很大程度減弱。
　　 4)在頂部添加一個(gè)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(guò)冷模實(shí)驗(yàn)研究外循環(huán)對(duì)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(jì)的相關(guān)依據(jù)，并借助CFD模擬進(jìn)行外循環(huán)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(qiáng)釜內(nèi)軸向混合，從而降低全釜混合時(shí)間;過(guò)大流量的外循環(huán)會(huì)對(duì)原有的多個(gè)小循環(huán)的良好流場(chǎng)造成破壞，從而不利于混合

7、，增大了混合時(shí)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(duì)入射口附近的流場(chǎng)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(cè)量技術(shù)，并利用該技術(shù)測(cè)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?dú)庖悍稚⑿阅艿呐R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?yàn)?，外循環(huán)增大了釜內(nèi)的軸向流動(dòng)而減弱了徑向流動(dòng)，而攪拌釜內(nèi)氣體

8、的分散更多地依靠徑向流動(dòng)。因此，外循環(huán)對(duì)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(cè)量技術(shù)，并利用該技術(shù)測(cè)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?yàn)椋庋h(huán)增大了釜內(nèi)的軸向流動(dòng)而減弱了徑向流動(dòng)，而攪拌釜內(nèi)固體的懸浮更多地依靠軸向流動(dòng)。因此，外循環(huán)對(duì)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(gè)方面對(duì)CX工藝聚合釜的外循環(huán)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出相應(yīng)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。具體來(lái)說(shuō)，外循環(huán)流量應(yīng)滿(mǎn)足對(duì)氣液分散影響不大于20％、撤熱能力增加至少20％兩個(gè)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(mǎn)足不造成外循環(huán)管道內(nèi)固體沉積和粘壁現(xiàn)象、對(duì)流場(chǎng)局部沖擊盡可能小兩個(gè)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(mǎn)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(gè)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(mǎn)足盡可能使水平流動(dòng)轉(zhuǎn)化為垂直方向的軸向流動(dòng)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(cè)技術(shù)和多相流動(dòng)理論對(duì)CX工藝中聚合釜的漿液夾帶現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)與理論建模。一方面，建立實(shí)驗(yàn)室冷模裝置，并利用聲發(fā)

11、射技術(shù)實(shí)現(xiàn)霧沫夾帶量的定量檢測(cè)，并將該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)聚合裝置，實(shí)時(shí)在線(xiàn)地檢測(cè)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(dòng)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(jìn)建議，以期有效控制漿液夾帶現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。
　　 1)利用聲發(fā)射技術(shù)，輔以HHT分析方法，對(duì)冷模實(shí)驗(yàn)裝置及工業(yè)聚合釜進(jìn)行霧沫（漿液）夾帶量的在線(xiàn)檢測(cè)，以期建立霧沫（漿液）夾帶量的聲發(fā)射預(yù)測(cè)模型。首先，進(jìn)行水平管道

12、氣液兩相流的霧沫夾帶量的定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到了霧沫夾帶量的聲發(fā)射預(yù)測(cè)模型，其平均相對(duì)誤差為10.3％，初步證明了聲發(fā)射檢測(cè)霧沫夾帶量的可行性。其次，利用實(shí)驗(yàn)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(yàn)關(guān)聯(lián)式，并進(jìn)一步驗(yàn)證了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的可行性。最后，將聲發(fā)射檢測(cè)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(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)方法。
　　 2)對(duì)攪拌釜內(nèi)漿液進(jìn)行擬液相處理，從氣液兩相流動(dòng)

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(jī)理及液面以上空間夾帶機(jī)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(kuò)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(guò)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(duì)聚合反應(yīng)重要參數(shù)（如漿液濃度、停留時(shí)間、聚合得率等）的影響，分

14、析負(fù)荷變化過(guò)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(duì)生產(chǎn)負(fù)荷從6.5 t·h-1提高到7.5 t·h-1的過(guò)程作詳細(xì)分析。通過(guò)計(jì)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(guò)了設(shè)計(jì)值。催化劑停留時(shí)間顯著減小，同時(shí)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(huì)愈加嚴(yán)重，因而裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行受到影響。
　　 2)進(jìn)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(mǎn)負(fù)荷是其主要因素。
　　 3)通過(guò)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(jìn)行年產(chǎn)30萬(wàn)噸HDPE聚合釜的放大設(shè)計(jì)。
　　 1)利用

16、幾何相似放大方法進(jìn)行聚合釜放大設(shè)計(jì)，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(kuò)大段的聚合釜進(jìn)行非幾何放大，以?shī)A帶區(qū)表觀(guān)氣速一致、漿液區(qū)高徑比調(diào)整至1.3為放大準(zhǔn)則進(jìn)行聚合釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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)