環(huán)管反應器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬

1、2010 年 2 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Feb. 2010文章編號:1003-9015(201001-0041-06環(huán)管反應器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬劉永兵, 陳紀忠, 陽永榮(浙江大學化學工程與生物工程學系, 浙江杭州 310027摘要:為了對環(huán)管反應器內(nèi)傳熱規(guī)律進行研究,在Euler-Euler雙流體動量傳遞模型和環(huán)管反應器聚合傳質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,考慮了環(huán)管反應器內(nèi)傳熱過程,建立了環(huán)管反應器傳熱數(shù)學模型,對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應器內(nèi)流動、傳熱和傳質(zhì)及聚合反應過程進行了研究。反應器內(nèi)漿液溫度的模擬值與工業(yè)現(xiàn)

2、場值吻合,說明所建立的環(huán)管反應器傳熱數(shù)學模型是有效的。模擬結(jié)果表明,環(huán)管反應器溫度與物料濃度存在不均勻分布。在上升段,溫度分布呈中心對稱,在彎管段不再呈中心對稱,下降段的溫度因彎管段的不均勻分布而不再呈中心對稱分布;隨著漿液入口速度或入口固體顆粒相體積分數(shù)的增加,環(huán)管反應器上升直管段,彎管段以及下降直管段溫度降低;管壁冷卻水溫度不同,對環(huán)管反應器內(nèi)冷卻能力也不同,在反應器內(nèi)相同的釋放熱量情況下,冷卻水溫度越低,對反應器內(nèi)物料的冷卻能力就越強。關(guān)鍵詞:環(huán)管反應器;兩相流;傳熱模型;計算流體力學中圖分類號:TQ021.3;TQ018 文獻標識碼:ANumerical Simulation of H

3、eat Transfer in Tubular Loop ReactorLIU Yong-bing, CHEN Ji-zhong, YANG Yong-rong(Department of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstract:Based on the mathematic model considering the two-fluid momentum transfer, mass transfer, heat transfer and reaction

4、 kinetics of propylene polymerization, the heat transfer characteristics in the propylene polymerization tubular loop reactor were studied. The simulated fluid temperatures along the whole reactor agree well with that measured from the industrial loop reactor, which indicates that the presented math

5、ematic model is available to describe the heat transfer in the tubular loop reactor. The results show that the temperature distributions are different in the upstream-section, curve-section and downstream-section of the tubular loop reactor. In upstream-section, the temperature distribution is centr

6、o-symmetrical, but in the curve-section and downstream-section, they are not centro-symmetrical. The temperatures in the upstream-section, curve-section and downstream-section of the tubular loop reactor reduce with the increase of inlet slurry velocity and solid volume fraction; and the cooling abi

7、lity of the cooling jacket mounted on the outside of the straight part of the tubular loop reactor increases with the decrease of cooling water temperature.Key words: tubular loop reactor; two-fluid model; transfer heat model; CFD1引言在環(huán)管反應器內(nèi),液相烯烴和固體顆粒相聚烯烴在反應器中作高速循環(huán)流動,在流動過程中不僅實現(xiàn)液固兩相動量和質(zhì)量傳遞,由于聚合過程中同時還釋

8、放出大量的反應熱,反應器內(nèi)同時存在著熱量傳遞。在環(huán)管反應器內(nèi),為了使反應在恒溫下進行,必然需要盡快移除反應熱。反應熱的移除,一般設(shè)置換熱夾套來移除反應熱,由于環(huán)管反應器具有較大的傳熱面積,傳熱傳質(zhì)性能良好,因此在烯烴聚合工藝等高分子合成工藝中得到很好的運用14。環(huán)管反應器內(nèi)傳熱規(guī)律的研究對環(huán)管反應器的設(shè)計、制造和收稿日期:2009-05-03;修訂日期:2009-11-17。作者簡介:劉永兵(1972-,男,湖南邵陽人,湖南理工學院副教授,博士。通訊聯(lián)系人:陳紀忠,E-mail:chenjz運行可靠性、安全性都具有非常重要的意義。對反應器內(nèi)傳熱規(guī)律的研究,必須能真實地、詳細地描述管道內(nèi)溫度分布

9、,這就需要建立合適的傳熱數(shù)學模型來描述管道內(nèi)溫度分布。本文在Euler-Euler 雙流體動量傳遞模型和環(huán)管反應器聚合傳質(zhì)模型的基礎(chǔ)上5,考慮了環(huán)管反應器內(nèi)的傳熱過程,建立了環(huán)管反應器傳熱的數(shù)學模型,對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應器內(nèi)傳熱、傳質(zhì)和聚合反應進行了研究,考察了環(huán)管反應器內(nèi)的溫度分布。考察環(huán)管反應器內(nèi)各個參數(shù)對反應器溫度分布的影響。2 環(huán)管反應器數(shù)學模型 2.1 傳質(zhì)模型在環(huán)管反應器內(nèi),本文分別對液固兩相建立連續(xù)性方程和動量守恒方程,而對于能量守恒方程,則把液態(tài)丙烯和聚丙烯處理為混合相,對混合相建立傳熱模型:液相連續(xù)性方程:l l l (v m= (1 固相連續(xù)性方程:s s s (v m=

10、 (2 液相動量守恒方程: l l l l l l l l ls s l l (v v p g K v v mv=+ (3 T l l l l l (v v =+固相動量守恒方程:s s s s s s s s s ls l s l (v v p p g K v v mv=+ (4 T s s s s s s s s s 2(3v v v =+p mr = (5 混合相能量守恒方程: l l l p,l s s s p,s eff E (v C T v C T k T S +=+ (6t,m eff l l s s tk k k Pr =+(7E S mH = (8 2.2 丙烯聚合動力學在環(huán)

11、管反應器內(nèi),丙稀聚合屬于連鎖聚合過程,由鏈引發(fā)、鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止等基元反應組成。在非均相Ziegler-Natta 催化劑中存在兩種以上的活性中心,不同的活性中心其反應動力學常數(shù)不同,活性中心之間還可能相互轉(zhuǎn)化,導致其分布隨時間而變化。兩種活性中心體系的聚合反應動力學方程如下:鏈引發(fā) *1C M P + (9 鏈增長 *12P M P + (10*+1P M +i i P (11鏈轉(zhuǎn)移 向單體轉(zhuǎn)移 *1P M P P +i i (12 向氫轉(zhuǎn)移 *2P H P C +i i (13 鏈終止 *P P C +i i (14*Donor*P P C +i i (15聚合反應開始時,由于活性中

12、心濃度很大,鏈引發(fā)速率很快,可以忽略不計,只考慮鏈增長速率,聚合速率方程:聚合速率 *p p MC r k = (16 鏈轉(zhuǎn)移速率 0.5*tr tr 2H C r k = (17第24卷第1期 劉永兵等: 環(huán)管反應器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬 43催化劑失活速率 *d d C r k = (18 式中反應速率常數(shù)均符合Arrhenius 方程,即0exp(Ek k RT=,其中M,*C ,2H 分別代表丙稀單體、催化劑活性中心、氫氣的濃度,kmol m 3。動力學參數(shù)如表1所示:液體丙烯的導熱系數(shù)k l 關(guān)聯(lián)式6:7211l 0.29060.00060530.125610(W m K k T T

13、=+ (19式(19的適用范圍為88343K 。液體丙烯的熱容C p,l 關(guān)聯(lián)式6:46211p,l 82.16128.18310249.70910(kJ kmol K C T T =+ (20 聚丙烯的導熱系數(shù)k s 為11762436 W m 1K 1,在0100之間隨溫度的增加而增大。 等規(guī)聚丙烯的熱容C p,s =1.9 kJ kg 1K 1。 反應熱H =85830 J mol 1。 2.3 物理模型及邊界條件本研究所采用的物理模型為環(huán)管反應器的一部分,由兩根直管段和一根半圓弧彎管段組成,直管段分為上升段和下降段,兩根直管段通過由180的半圓弧彎管段連接起來,管道內(nèi)徑為0.6 m ,

14、每根直管段高26 m ,兩根直管中心線的距離4.2 m 。物性參數(shù)如表2所示。實際流場為三維流場,對計算域采用貼體網(wǎng)格,反應器徑向網(wǎng)格采用從中心到邊壁漸密網(wǎng)格,軸向?qū)τ趦筛惫芏螢榫鶆蚓W(wǎng)格,彎管段均勻加密。固體顆粒相采用均勻入口條件,液相入口軸向速度均勻分布,徑向和切向速度均為0;入口處混合相k 和的邊界值可根據(jù)如下方程計算得到:2in m 0.004k u = ; 1.5in 0.09/0.03k R = (21出口處取充分發(fā)展的管流條件。邊壁處液體取無滑移邊界條件,固體顆粒相處于自由滑移和無滑移邊界條件之間,固體顆粒法向速度為0,切向速度可根據(jù)如下方程7計算得到 s,w 6v v = (2

15、2 固體顆粒相和液相入口溫度采用均勻恒定分布。在環(huán)管反應器內(nèi),為了使反應在恒溫下進行,必然需要盡快移除反應熱。在環(huán)管反應器直管段設(shè)置換熱夾套來移除反應熱?？稍谥惫芏卧O(shè)置對流傳熱邊界條件,而在彎管段采用絕熱邊界條件。直管段對流傳熱邊界條件(c q K T T = (23對流傳熱系數(shù)K =2325.6 J (m 2K1。傳熱模型中需要求解的其它變量。利用Euler-Euler 雙流體模型5計算,首先求解液相和固體顆粒相的速度場。對于聚合速率r p 的求解,采用丙烯聚合動力學求解。采用有限體積法,求出液相和固體顆粒相速度場和壓力場,然后采用有限體積法對能量守恒偏微分方程進行離散,非線性方程組采用TD

16、MA 方法進行求解,流場和溫度場的求解都采用壓力-速度耦合的SIMPLER 算法,當能量守恒方程的前后兩次迭代誤差小于106,認為迭代收斂,可求出環(huán)管反應器溫度分布。3 結(jié)果與討論3.1 數(shù)學模型的有效性驗證在環(huán)管反應器傳熱數(shù)學模型中,管道內(nèi)漿液溫度分布是一個重要參數(shù)。本文擬考察不同截面漿液溫表1 丙稀聚合動力學參數(shù)Table 1 Model parameters of propylene polymerizationk p0/ L mol 1s 1k tr0/ L mol 0.5s 1 k d0 /s 1 E p /kJ mol 1 E tr /kJ mol 1 E d /kJ mol 17

17、.65107.6510 4.041050 50 50表2 物性參數(shù)Table 2 Physical model parameters of substance character d p / mm s / kg m 3 l / kg m 3 l / Pa s 0.4 950 595 1.831044 高 校 化 學 工 程 學 報 2010年2月 (a(b (c 圖2 在入口體積分數(shù)s = 0.35不同漿液入口速度情況環(huán)管反應器內(nèi)溫度等直線圖 Fig.2 Temperature contours for different slurry inlet velocities at the entr

18、ance s = 0.35(a 6 m s 1 (b 7 m s 1 (c 8 m s 1T / K344.00343.83343.66343.50343.33343.16342.99342.82342.65342.49342.32342.15121110987654321度沿著軸向變化情況,驗證環(huán)管反應器傳熱數(shù)學模型的有效性。圖1為沿著軸向不同截面漿液溫度的模擬值與工業(yè)現(xiàn)場值的比較圖。從圖1可以看出:漿液溫度模擬值與工業(yè)現(xiàn)場值吻合,由此可以說明,以顆粒動力學為基礎(chǔ)的環(huán)管反應器傳熱模型來模擬環(huán)管反應器內(nèi)傳熱過程是有效的。3.2 環(huán)管反應器內(nèi)溫度分布的研究 3.2.1 漿液速度對溫度分布的影響圖

19、2表示的是在入口固體顆粒相體積分數(shù)s = 0.35時,不同漿液入口速度情況下,環(huán)管反應器內(nèi)溫度等直線分布圖。從圖2可以看出:在上升直管段由于在環(huán)管反應器管壁有冷卻水從反應器移出反應熱,管壁溫度相對較低,冷卻水溫度為50,而在管中心溫度相對較高,存在有一定的溫度差。同時,從圖2還可以看出,在上升直管段,溫度呈中心對稱分布,而在彎管段、下降直管段,溫度分布不再呈中心對稱分布。在下降直管段,在圓管右側(cè)區(qū)域溫度比左側(cè)區(qū)域溫度相對較高,存在有一定的溫度差。從圖2還可以看出,在漿液入口速度v = 6 m s 1時,管內(nèi)溫度相對較高,隨著漿液入口速度的增加,管內(nèi)溫度也降低。這主要是由于漿液入口速度越小,反應

20、器內(nèi)停留時間越長,反應量就越多,反應釋放的熱量就越多。3.2.2 漿液濃度對溫度分布的影響圖3表示的是在漿液入口速度v = 7m s 1時,不同漿液濃度情況下,環(huán)管反應器溫度等直線分布圖。從圖3可以看出:在上升直管段,由于在環(huán)管反應器直管段管壁有冷卻水對反應器移出反應熱,管壁溫度相對較低,冷卻水溫度為50,而在管中心溫度相對較高,存在有一定的溫度差;而到了彎管段,由于管壁無冷卻水對反應器內(nèi)物料反應放出的熱量進行移除,與前面的上升段溫度分布相比,彎管段溫度比上升直管段溫度相對較高,同時彎管段與直管段相比,彎管段溫度分布也不再呈中心對稱分布;在下降直管段,管內(nèi)溫度同樣不再呈中心對稱,在圓管右側(cè)區(qū)域

21、溫度比左側(cè)區(qū)域溫度相對較高,存在有一定的溫度差。從圖3還可以看出,在漿液入口固體顆粒相體積分數(shù)為s = 0.3時,管內(nèi)溫度相對較高,隨著漿液入口固體顆粒相體積分數(shù)增加,管內(nèi)溫度也降低。這主要是由于漿液入口固體顆粒相體積分數(shù)越小,相對來說液相丙烯量就越多,反應速率就越快,反應放出的熱量就越多。 3.2.3 冷卻水溫度對溫度分布的影響圖4表示的是在入口固體顆粒相體積分數(shù)s = 0.35、漿液入口速度v = 7 m s 1時,不同的管壁冷卻水溫度情況下,環(huán)管反應器內(nèi)溫度等直線分布圖。從圖4可以看出:在上升直管段,由于在環(huán)管反應器管T / KL / m圖1 漿液溫度模擬值與工業(yè)現(xiàn)場值的對比 Fig.

22、1 Comparison of the slurry temperature from simulation value with the industrial field value.第24卷第1期 劉永兵等: 環(huán)管反應器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬 45 344.00343.83343.66343.50343.33343.16342.99342.82342.65342.49342.32342.15(a 45 (b 90 (c 135 (d 180圖5 彎管段不同位置溫度等值線分布圖 Fig.5 Temperature contours at different positions壁有冷卻水對反應器

23、移出反應熱,管壁溫度相對較低,而在管中心溫度相對較高,存在有一定的溫度差。在彎管段,無冷卻水套管,在下降直管段,管壁溫度相對較低,而在管右側(cè)區(qū)域溫度相對較高,存在有一定的溫度差。同時,還可以看出,由于管壁冷卻水溫度不同,對環(huán)管反應器內(nèi)冷卻能力也不同。在反應器內(nèi)釋放相同的熱量情況下,冷卻水溫度越低,對反應器內(nèi)物料的冷卻能力就越強。 3.2.4 彎管段不同截面的溫度分布圖5表示的是在入口固體顆粒相體積分數(shù)s = 0.35、漿液入口速度v = 7m s 1時,彎管段不同截面的溫度等直線分布圖。從圖5可以看出,在彎管段溫度不再呈中心對稱分布。同時從圖5可以看出,沿著流體流動方向,隨著聚合反應釋放出反應

24、熱,管中心溫度較高的區(qū)域逐步擴大。而且溫度較高的區(qū)域在彎管段外側(cè)壁。從圖5還可以看出,沿著流體流動方向,由于聚合反應釋放出反應熱,且在彎管段未有冷卻水移除反應熱,使得截面上溫度差距變小。(a (b (c圖3 在漿液速度為7 m s 1不同漿液入口體積分數(shù)情況下環(huán)管反應器內(nèi)溫度等直線圖Fig.3 Temperature contours for different slurry inlet volume fractions of solid at slurry velocity v =7 m s 1(a s= 0.3 (b s = 0.35 (c s = 0.4 T / K12111098765

25、4321344.00 343.83 343.66 343.50 343.33 343.16 342.99 342.82 342.65 342.49 342.32 342.15(a (b (c圖4 在不同冷卻水溫度情況下環(huán)管反應器內(nèi)溫度分布等直線圖 Fig.4 Temperature contours at different cooling water temperature(a T c = 45 (b T c = 50 (c T c = 55121110987654321344.00 343.74 343.48 343.22 342.96 342.70 342.45 342.19 341.9

26、3 341.67 341.41 341.15T / K46 高 校 化 學 工 程 學 報 2010 年 2 月 從上面對環(huán)管反應器物理模型上升段、彎管段和下降段在不同的工藝參數(shù)條件下溫度分布的研究可 知。環(huán)管反應器溫度分布并不是均勻的，在上升段呈中心對稱分布，而在彎管段不再呈中心對稱，也必 然影響到下降段不再呈中心對稱分布。 4 結(jié) 論 對工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應器內(nèi)傳熱進行了研究，考察了環(huán)管反應器內(nèi)液固兩相流的溫度分布。模擬 結(jié)果表明，漿液溫度模擬值與工業(yè)現(xiàn)場值吻合，以顆粒動力學為基礎(chǔ)的環(huán)管反應器傳熱模型來模擬環(huán)管 反應器內(nèi)傳熱過程是有效的。環(huán)管反應器溫度分布與物料濃度分布也一樣，分布并不是均

27、勻的。在彎管 段不再呈中心對稱，也必然影響到下降段不再呈中心對稱分布。 隨著漿液入口速度的增加，環(huán)管反應器彎管段以及下降直管段溫度降低；隨著入口固體顆粒相體積 分數(shù)增加，環(huán)管反應器彎管段以及下降直管段溫度降低。 管壁冷卻水溫度不同，對環(huán)管反應器內(nèi)冷卻能力也不同。在反應器內(nèi)釋放相同的熱量情況下，冷卻 水溫度越低，對反應器內(nèi)物料的冷卻能力就越強。 符號說明： C* Cp,l Cp,s g H 催化劑活性中心 液體丙烯熱容，kJkmol1K1 聚丙烯熱容，kJkg1K1 重力加速度，ms2 反應熱，Jmol1 混合相湍動能，m2s-2 催化劑失活速率常數(shù)，s1 混合相導熱系數(shù)，Wm1K1 液體丙烯導

28、熱系數(shù)，Wm1K1 聚合速率常數(shù)，Lmol1s1 聚丙烯導熱系數(shù)，Wm1K1 鏈轉(zhuǎn)移速率常數(shù)，Lmol0.5s1 液固傳遞系數(shù)，kgm3s1 管道長度，m 丙烯單體 聚合速率，kgm3s1 丙烯死聚物 丙烯活聚物 壓力，Pa 顆粒相壓力，Pa 普朗特準數(shù) 傳熱量，Wm2 聚合速率，kgm3s1 管道半徑，m 能量守恒方程源項 T 溫度，K Tc 冷卻水溫度， u 入口速度，ms1 vl 液相局部速度，ms1 vs 固體顆粒相局部速度，ms1 希臘字母 l 液相體積分數(shù) s 固體顆粒相體積分數(shù) s 固體顆粒相整體黏度，Nm2s1 l 液相黏度，Pas s 固相剪切黏度，Pas t,m 混合相湍流

29、黏度，kgm1s1 l 液相密度，kgm3 m 混合相密度，kgm3 s 固體顆粒相密度，kgm3 湍動能耗散效率，m2s-3 l 液相剪切應力張量，Nm2 s 固體顆粒相剪切應力張量，Nm2 下標 c 冷卻水 in 入口 l 液相 m 混合相 s,p 固體顆粒相 k kd keff kl kp ks ktr Ksl L M m P P* P Ps Prt q rp R SE 參考文獻： 1 2 3 4 5 Zacca J J, Debling J A, Ray W H. Reactor residence time distribution effects on the multistage polymerization of olefins-I. Basic principles and illustrative examples, polypropylene J. Chemical Engineering Science, 1996, 51(21: 4859-4886. Zacca