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(shè)計院有限公司 國家干燥技術(shù)及裝備工程技術(shù)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(wǎng)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(yīng)器為天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司(以下稱天華院)于2020年完成設(shè)計制造，單臺反應(yīng)器要求年產(chǎn)量為60萬噸，使用壽命為20年，反應(yīng)器內(nèi)筒體材質(zhì)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(jù)聚丙烯環(huán)管反應(yīng)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(yīng)器整體的結(jié)構(gòu)，建立的三維流體域(見圖2所示)，作為本文所研究內(nèi)容的邊界范圍。

圖1 環(huán)管反應(yīng)器二維工程圖與三維裝配圖

圖2 環(huán)管反應(yīng)器三維流體域圖

由于聚丙烯八腿環(huán)管反應(yīng)器，是由左右鏡像對稱的兩個四腿環(huán)管反應(yīng)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(jié)果，因此本文僅選取R-201為研究對象。

三維流體域的主要結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確且更直觀的得到反應(yīng)器的三維模型，并通過使用流體力學(xué)軟件對反應(yīng)器內(nèi)部進行流場特性研究，決定對反應(yīng)器采用1∶1比例進行三維建模。

1.2 網(wǎng)格劃分

本文選用計算流體力學(xué)(CFD)軟件對建立好后的聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器三維流體域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分(見圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示)。網(wǎng)格劃分總數(shù)為2 575 866，并經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，且網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.4。

圖3 環(huán)管反應(yīng)器三維流體域非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

2 數(shù)學(xué)模型

模型求解計算在流體力學(xué)軟件中進行，首先將流體在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)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(yuǎn)大于4 000，表明對于本文的研究，流體在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(Standard Wall Functions)，并采用穩(wěn)態(tài)模擬與SIMPLE算法對反應(yīng)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(rèn)設(shè)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(xué)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(rèn)設(shè)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(yīng)器內(nèi)部流體在入口面(inlet)與出口面(outlet)流動的邊界條件設(shè)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)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(nèi)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(yīng)器結(jié)構(gòu)中各個位置的大小變化均不明顯。這說明環(huán)管反應(yīng)器在此結(jié)構(gòu)下不會因為流速的改變而影響到反應(yīng)器內(nèi)部速度的分布情況；也能證明環(huán)管反應(yīng)器在管徑為800 mm時結(jié)構(gòu)的合理性，丙烯聚合反應(yīng)能夠在此結(jié)構(gòu)下不會因流速問題影響到反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)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(nèi)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(cè)壓力明顯變大，而彎頭出口處至直管段的位置上，彎頭內(nèi)側(cè)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(cè)的沖擊作用，從而導(dǎo)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(gòu)所引起的離心力的作用所導(dǎo)致的，不同流速的流體流經(jīng)相同結(jié)構(gòu)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(jīng)相同結(jié)構(gòu)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(yīng)器內(nèi)部有明顯的變化。這也意味著丙烯聚合反應(yīng)要在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)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(dǎo)致反應(yīng)不完全，從而帶來經(jīng)濟損失；而較小的流速，流體的能量損失大，反應(yīng)雖然徹底，但是浪費了時間成本，降低了生產(chǎn)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(yīng)器內(nèi)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(nèi)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(yīng)器結(jié)構(gòu)中各個位置的大小變化均不明顯。我認(rèn)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(dāng)湍流強度為一定值時，流體在反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器結(jié)構(gòu)中各個位置的大小變化均不明顯，這可能是導(dǎo)致整個環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)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(jié)論與結(jié)語

4.1 結(jié)論

本文根據(jù)天華院承擔(dān)的工業(yè)規(guī)模聚丙烯八腿環(huán)管反應(yīng)器研制需要，對設(shè)備核心的環(huán)管反應(yīng)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(yīng)器在此結(jié)構(gòu)下不會因為流速的改變而影響到反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)要在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)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(dǎo)致反應(yīng)不完全，從而帶來經(jīng)濟損失；而較小的流速能量損失大，反應(yīng)雖然徹底，但是浪費了時間成本，降低了生產(chǎn)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(yīng)器結(jié)構(gòu)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(yīng)器結(jié)構(gòu)中各個位置的大小變化均不明顯，從而導(dǎo)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(yīng)器在管徑選取為800 mm時結(jié)構(gòu)與參數(shù)的合理性，同時在此結(jié)構(gòu)與參數(shù)下丙烯聚合反應(yīng)能夠順利且正常進行，大大提高了聚丙烯的生產(chǎn)效率。

4.2 結(jié)語

本文對于流速對聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部流場的影響研究中，因涉及較多學(xué)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(yīng)用、工藝流程與環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點、研究現(xiàn)狀等。相關(guān)知識范圍非常廣，研究過程也十分復(fù)雜，因此只能對環(huán)管反應(yīng)器進行以上研究與分析。而環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部流體流動時的流態(tài)復(fù)雜多樣并伴有化學(xué)反應(yīng)，怎樣能夠更全面的對環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部進行模擬分析，一直是困擾多年的難題。有關(guān)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)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。