环管反应器内非均匀流动特性的CFD模拟研究

摘要

环管反应器由于结构简单、撤热快，被广泛应用于聚丙烯工业。然而在环管反应器中非均匀流动结构会增加装置的单位操作能耗，严重时甚至阻碍装置的正常、高效运转，研究非均匀流动结构的形成机制并提出改进措施，对工业装置的正常、平稳、高效运转具有重要意义。本文以工业规模和中试规模的环管反应器为研究对象，运用计算流体力学（CFD）的研究方法，建立了环管反应器的稳态和动态三维模型，研究了环管反应器内的非均匀流动结构及其影响因素，并基于此提出了减弱非均匀流动的措施。主要内容和成果包括:
　　(1)以工业级环管反应器为研究对象，采用CFD进行稳态模拟，研究了工业环管反应器结构（直管段高度和直管段数量）及操作参数（速度、颗粒粒径、浓度）对反应器内非均匀结构的影响。模拟发现:直管段数量为2的环管反应器，当直管段高径比超过43时，出口截面上颗粒分布的非均匀度不随高径比的增加而变化;直管段数量为4的环管反应器，直管段高径比越大，出口截面上颗粒分布越均匀。恒定直管段高径比为65，直管段数量越多，出口截面上颗粒分布越均匀;与直管段数量相比，直管段长度（高径比）对环管反应器出口处非均匀度的影响更显著。流速在7-13 m/s范围内，流速对非均匀度的影响较小;而降低流速至4 m/s，虽能降低出口的非均匀性，却不利于装置的稳定运行。粒径越大，固相体积分数波动越大，出口处的非均匀度越大。进口浓度越高，环管整体的非均匀度越小，出口处均匀性越好。
　　(2)以4条腿的工业级环管反应器为研究对象，采用CFD模拟研究了真实物系下环管反应器内双分散颗粒的流场情况，考察了不同颗粒组成对环管反应器内非均匀度的影响，并通过分析不同组成下管内颗粒的浓度、速度分布，揭示了颗粒粒径及分布对流动均匀性的作用机制，结果表明:大颗粒含量越高，环管轴向的非均匀度越大，颗粒分布越不均匀，越易形成厚的颗粒带并在直管中做螺旋运动，形成“环核型”浓度分布;颗粒带在螺旋运动中不断发展至均匀，但大颗粒含量越高，弯管内外侧的速度差越大，周向旋转能力越弱，越不易发展均匀。基于上述结论提出双分散颗粒的作用机制为大颗粒对流动均匀度的抑制作用，其表现在弯管处大颗粒对颗粒带形成的促进作用和直管中大颗粒对颗粒带消散的抑制作用。
　　(3)以小尺寸的环管反应器为研究对象，采用CFD模拟了不含带连接、含无进口带连接及含进口带连接这三种具有不同结构的环管反应器，研究了带连接对环管反应器内局部均匀性的影响，并基于此提出了带连接的影响机制。结果表明:带连接的加入会使所在环管处的非均匀度出现波动，使进口管的非均匀度急剧增大，出口管带连接附近区域的非均匀度出现波动，带连接对进口管的影响大于出口管。带连接对环管内液固两相的作用机制为进口管处的分流作用及出口管处的集流作用。进口管管壁处的浆液在分流作用下不断进入带连接，使进口管带连接附近的液固两相从均匀分布变为边壁稀、中心浓的分布;而进入带连接的低浓浆液又会在出口管进入环管与主流体汇集并向下流动，使得出口管带连接附近的液固两相分布也从边壁浓、中心稀的结构转变为边壁稀、中心浓的结构。
　　(4)采用CFD对小尺寸的环管反应器进行动态模拟，提取、分析了不同粒径稳定状态下出口颗粒浓度与非均匀度随时间的变化规律;并以环管反应器不同位置的固相体积分数信号为例，通过频谱、能谱等分析，从时域、频域层面进一步理解环管反应器内的非均匀流动特性。结果表明:不同粒径下，环管反应器出口非均匀度和颗粒浓度均随着时间在某一稳定值附近波动，而颗粒粒径越大，非均匀度与颗粒浓度的波动幅度及频率也越大，越易引起轴流泵功率的波动;频谱及能谱分析发现，弯管后颗粒团聚物的形成会导致反应器内固相体积分数新的周期行为（主频约为10Hz）产生，同时使得流场的湍动程度加强，颗粒间与颗粒壁面间摩擦碰撞加剧，能量耗散加快。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 聚丙烯工业简介

1．2 论文的内容与结构

参考文献

第二章 文献综述

2．1 聚丙烯工艺介绍

2．1．1 溶剂法工艺

2．1．2 本体法工艺

2．1．3 气相法工艺

2．2 Spheripol环管聚丙烯工艺

2．2．1 工艺流程简介

2．2．2 环管反应器内丙烯聚合动力学

2．2．3 环管反应器及其数学模型

2．3 丙烯聚合过程的多尺度模拟

2．3．1 微观尺度动力学模型

2．3．2 介观尺度传递模型

2．3．3 宏观尺度反应器模型

2．4 环管反应器中的非均匀流动

2．5 环管反应器存在的问题

2．6 课题提出

符号说明

参考文献

第三章 工业级环管反应器内非均匀流动影响因素分析

3．1 引言

3．2 环管反应器模型及其参数

3．2．1 环管反应器模型

3．2．2 物性参数

3．3 CFD模型及参数设置

3．3．1 基于颗粒动力学的欧拉-欧拉双流体模型

3．3．2 曳力模型

3．3．3 边界条件的设置

3．4 结果讨论与分析

3．4．1 网格无关性检验

3．4．2 模型验证

3．4．3 非均匀流动现象及其定量表征

3．4．4 直管高度对非均匀流动的影响

3．4．5 直管数量对非均匀流动的影响

3．4．6 工业环管反应器的非均匀流动

3．4．7 操作速度的影响

3．4．8 颗粒粒径的影响

3．4．9 操作浓度的影响

3．4．10 减弱环管反应器出口处非均匀度的建议

3．5 本章小结

符号说明

参考文献

第四章 环管反应器内双分散颗粒的作用机制分析

4．1 引言

4．2 环管反应器模型及其参数

4．2．1 环管反应器模型

4．2．2 物性参数

4．3 CFD模型及参数设置

4．4 结果与讨论

4．4．1 模型验证

4．4．2 轴向非均匀度分析

4．4．3 双分散颗粒的径向浓度分布

4．4．4 管道内液固相的速度分布规律

4．4．5 颗粒组成对液相速度分布的影响

4．4．6 双分散颗粒的对非均匀度的作用机制分析

4．5 本章小结

符号说明

参考文献

第五章 环管反应器带连接影响分析

5．1 引言

5．2 实际和模拟环管及带连接的尺寸对比及模拟参数

5．3 环管带连接模型及CFD模拟方法

5．3．1 环管及带连接的模型

5．3．2 环管及带连接CFD模拟方法的建立

5．4 结果与讨论

5．4．1 模型验证

5．4．2 整体固相体积分数分布

5．4．3 非均匀度分析

5．4．4 带连接对浓度分布的影响机制探讨

5．5 本章小结

符号说明

参考文献

第六章 环管反应器的非稳态分析

6．1 引言

6．2 常用数据信号分析方法

6．2．1 频谱／功率谱分析

6．2．2 湍动能谱分析

6．3 环管反应器模型及其参数

6．3．1 环管反应器模型

6．3．2 物性参数

6．4 CFD模型及参数设置

6．5 结果与讨论

6．5．1 模型验证

6．5．2 非均匀度的轴向分布

6．5．3 出口浓度及非均匀度的动态分布

6．5．4 弯管前后固相体积分数信号的频谱分析

6．5．5 直管段不同位置的固相体积分数信号的频谱分析

6．6 本章小结

符号说明

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

作者简介