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天骥列管式冷凝器:列管式反应器内部流场数值模拟

浏览次数: 发布日期:2019-06-29 20:33

1 前言

列管式冷凝器搅拌式反应釜专业生产厂家无锡天骥化工2019年6月10日讯  列管式固定床反应器在石油化工工业中应用广泛,反应器的操作性能与其传热方式、反应介质流体流动以及其内部温度分布密切相关。合理的结构和适宜的内部流场和温度场的分布可以减少返混与短路,提高反应器的效率并减少副反应发生。

本文运用计算流体力学方法模拟了列管式固定床反应器的整体流场,形成了一套针对列管式固定床反应器进行模拟的一般方法。本文分别就反应器管程进出口的结构和管径、内部导流板的设置及其形式等因素对流场的影响进行了系统地分析评价,确定了影响列管式固定床反应器流场分布的主要因素。对本文所研究的列管式固定床反应器而言,进口方式和导流板的形式是影响列管式固定床反应器性能的主要因素。

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1-下环形通道;2-圆盘形折流挡板;3-上环形通道;4-反应器管箱;

5-上熔盐出口6-反应壁;7-反应管;9-下熔盐进口;10-不等高的条形孔

图1 列管式固定床反应器结构示意图

2 几何模型的建立及网格生成

2.1 几何模型建立

根据设计,最终得出反应器内径为φ1500,需350根管束,管长2m,管间距采用64mm,上下管箱高度为200mm,接管根据文献初步估算用φ86×3的管子,管束采用圆形布管方式(为加环形导流板方便,该尺寸为初始值,优化过程可能会改变其大小)设备基本形式如图:

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图2 列管式固定床几何模型示意图

2.2 网格生成

基于分析可知,对于几何结构相对简单的流域,应该尽量采用结构化网格,以提高网格质量,减少网格个数以节约计算时间,并且还有利于减小计算过程中的数值耗散。对于几何结构和流动比较复杂的流域,应选用非结构化网格,可节约设置时间,减少所需的网格个数,从而节约计算成本。因此,对反应器的进口段、出口段,以及反应管部分这些圆管流动部分采用结构化网格,对下上管箱采用非结构化网格。在Workbench中,Relevance的值设为-50,其他默认,即可得到图4所示的网格分布。利用局部网格控制可以得到如图3所示的圆管截面网格分布。

通过统计,网格节点为3651908,单元数为4625310。其中skewness的最小值为0.0003434,最大值为0.8963,平均值为0.23126,说明网格整体质量较好。

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图3 圆管截面网格分布

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图4 列管式固定床反应器网格分布

2.3  Fluent 数值求解设置

2.3.1 设置计算模型

求解器选择分离求解器;线化方法缺省为隐式格式;离散化方法选用一阶迎风格式;压强速度关联算法选用SIMPLEC算法,以节省计算时间。

2.3.2 设置边界条件

边界条件的设置合理与否对计算收敛性及计算结果起着决定性的作用。对于本文,由于入口处的压力不知道,所以入口边界采用速度入口,由于在计算完成前无法确定出口的压强和速度值,所以出口边界采用自由出流边界条件(outflow),由于outflow用于充分发展的流场,所以建模时可以适当加长出料口。

3 数值模拟结果分析

3.1 进料方式对列管式固定床反应器的性能影响

进料方式主要有两种,径向进料和切向进料。在本文中,分别对83mm,115mm,145mm,170mm(均为内径)的进口管的径向和切向流场分布做了对比,其流量分布的标准差和返混率如图5和图6所示。

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图5 不同管径下的标准差 

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图6 不同管径下的反混率

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图7 径向和切向进口截面速度分布云图

从图5和图6,上可以看出,在多种管径下,切向进口的流体分布都要比径向进口的流体分布均匀。形成这种结果的原因可以从图7看出。在径向进口中,流体流动的路径只是整个反应器管箱的直径,沿着进口直径方向两侧的区域大多是靠扩散来得到分布,而非靠压头来强迫流动,所以返混的区域主要是在中心和沿着进口直径方向两侧的区域。在切向进口中,流体流动的路径是整个反应器管箱的周长,流动路径比较长。沿着管箱内壁的一些区域是流体流动的主体,但是在中心区域,却极易发生返混倒流现象,此种情况有些类似旋风分离器。(发生返混的区域倒流可以从附录中计算的原始数据看出,质量通量为正值的发生返混倒流)

从图7中可以看出,切向进口的各种指标均比径向进口要好,所以在本文的优化过程中,均采用的是切向进口。

3.2  进口速度对列管式固定床反应器流场分布影响

进口速度会对流场分布有很大的影响。由于设备处理能力一定,所以改变进口速度可以通过改变进出口的大小来实现。图5和图6表明,不管是径向进口还是切向进口,随着管径的增大,流体分布趋近于均匀化,可以认为这是一个规律。发生这种现象的原因也很容易理解,管径增大,流速变低,一方面与主体流动接触的反应管增多,另一方面流体在低速下有更长的时间可以扩散到非流动主体区域。但是管径也不可以无限扩大,因为输料管线不会很大,这样过大的进料口会给配管带来一定的不便。而且在化工设备中,大开口是比较忌讳的,壳体大开孔将导致开孔区应力分布复杂,从而削弱设备强度,增加制造带成本。用现代计算技术和实验方法,对开孔结构进行应力分析,结果表明应力集中系数可达3~10倍,对大直径薄壁壳体的大开孔尤为明显。所以在本文中,计算优化的模型,管径最大为170mm,为使一些现象更具有普遍性意义而不是只在单一管径下成立,在后面的优化中会采用一些145mm管径下不同参数进行对比。

从图8和图9中可以看出,在管箱中心区域,发生了返混倒流,主要是流体全部沿着容器壁流动,而中间区域流量不足形成了低压区返混,解决这个问题的方法便是加导流板,把流体强制导入到中心区域。

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图8 145mm切向进料反应管截面速度矢量图

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图9 170mm切向进料反应管截面速度矢量图

3.3 上管箱导流板对列管式固定床反应器流场分布的影响

设置导流板的目的就是要把流体导入到中心区域,据此,在本文中首先设置了两种导流板,如图10所示。

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图10 导流板形式

在这种导流板下,笔者通过计算进出口管径为70mm,83mm,115mm,145mm,170mm下的流场。其质量通量的标准差,返混率分别如图11和12所示。从图中可以看出,总体上讲,有导流板比没有导流板的分布效果要好,这是一个普遍存在的规律。这个结论为继续优化提供了方向。

进口管170mm在第一种导流板的管箱进料口截面速度分布云图和反应管截面速度矢量图如图13和图15所示。从图中可以看出,虽然有部分流体被导流到中心区域,返混现象发生了明显的改善,但是由于导流板的不封闭性,沿着容器壁的一些流体一部分被倒流到管箱中心区域,一部分又和进口流体混合在一起继续流动,这样就加速了流体的循环流动。为解决这种循环,设计了第二种导流板。和第一种导流板和的不同之处在于,第二种导流板是由两条曲线组成,除了和第一条角度一样的曲线外,还有一条竖直的直线直接和管箱侧壁相连,如图10所示。

进口管170mm在第二种导流板的管箱进料口截面速度分布云图和反应管截面速度矢量图如图14和图16所示。从图中可以看出,第二种导流板明显改善了流体分布。这种导流板使整个管箱内部的流动类似于圆形管道流动,流体流动的阻力来自于导流板和容器壁的摩擦。这种流动随着流动路径的增长,压头越来越小,在尾部由于动压头完全转化成静压能,所以头部和尾部的反应管流速会大一些,而中间区域则是不均匀部分。由于这种导流板存在“死区”(即导流板直线部分与容器壁相连的两侧),流体无法流经,就造成了返混(从图14可以看出)。

由于管流随着流动路径的增长,不可避免的出现压降,所以要想得到更均匀的流场,就必须改进导流板的形式,针对第二种导流板存在的“死区”,设计了第三种导流板,如图17所示,导流板的参数可以从图中读出。

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图11 有无导流板质量通量标准差对比 

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图12 有无导流板返混率对比

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图13 第一种导流板下进口截面速度云图

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图14 第二种导流板下进口截面速度云图

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图15 第一种导流板下反应管截面速度矢量图

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图16 第二种导流板下反应管截面速度矢量图

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图17 第三种导流板

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图18 第三种导流板下进口截面速度云

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图19 第三种导流板下反应管截面速度矢量图

从图18和图19以及图 的对比中可以看出,第三种导流板下流场分布已经相对很均匀了,发生返混倒流的反应管只有3根,标准差以达到4.709E-5。完全满足工业要求。而且第三种导流板较前两种结构更加简单,制造方便,不会对管板和布管产生很大的影响。从图中可以看出,针对这种导流板还有很多地方可以优化,比如那三根倒流的反应管是在进料口和第一块导流板附近处,产生的原因就是因为这块挡板位置不当,造成局部“死区”。由于第二块导流板过长,造成了流体过早的流入了中心,而在其背部发生边界层分离。造成分布不均匀。再者可以设置一些多层短导流板,效果应该会更加好一些,但由于时间关系,有待进一步研究深化。

4 结论

本文通过对固定床反应器各种模型的试算和分析,得出以下结论:

(1)列管式固定床反应器流场分布与进料口大小有很大的关系,进口越大

分布越均匀,但是受设备制造和开孔应力的影响,进口管不宜过大。

(2)列管式固定床反应器应该采用切向进口,这样流体分布比较均匀。

(3)列管式固定床反应器上管箱应该加设导流板,不同形式的导流板对流场均匀度影响很大,封闭的旋转导流板可以改善流体的分布,但是受其流动特点的影响,分布不可能非常的均匀。在要求更高的情况下,要想得到更加均匀的流场应该采用类似第三种形式的导流板,通过对其参数的优化,可以得到更均匀的流场。

参考文献

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