環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬_圖文

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

2、場(chǎng)值吻合,說明所建立的環(huán)管反應(yīng)器傳熱數(shù)學(xué)模型是有效的。模擬結(jié)果表明,環(huán)管反應(yīng)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(duì)稱,在彎管段不再呈中心對(duì)稱,下降段的溫度因彎管段的不均勻分布而不再呈中心對(duì)稱分布;隨著漿液入口速度或入口固體顆粒相體積分?jǐn)?shù)的增加,環(huán)管反應(yīng)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(duì)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)冷卻能力也不同,在反應(yīng)器內(nèi)相同的釋放熱量情況下,冷卻水溫度越低,對(duì)反應(yīng)器內(nèi)物料的冷卻能力就越強(qiáng)。關(guān)鍵詞:環(huán)管反應(yīng)器;兩相流;傳熱模型;計(jì)算流體力學(xué)中圖分類號(hào):TQ021.3;TQ018 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)器內(nèi),液相烯烴和固體顆粒相聚烯烴在反應(yīng)器中作高速循環(huán)流動(dòng),在流動(dòng)過程中不僅實(shí)現(xiàn)液固兩相動(dòng)量和質(zhì)量傳遞,由于聚合過程中同時(shí)還釋

8、放出大量的反應(yīng)熱,反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)存在著熱量傳遞。在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi),為了使反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行,必然需要盡快移除反應(yīng)熱。反應(yīng)熱的移除,一般設(shè)置換熱夾套來移除反應(yīng)熱,由于環(huán)管反應(yīng)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(yùn)用14。環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳熱規(guī)律的研究對(duì)環(huán)管反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造和收稿日期:2009-05-03;修訂日期:2009-11-17。作者簡(jiǎn)介:劉永兵(1972-,男,湖南邵陽人,湖南理工學(xué)院副教授,博士。通訊聯(lián)系人:陳紀(jì)忠,E-mail:chenjz運(yùn)行可靠性、安全性都具有非常重要的意義。對(duì)反應(yīng)器內(nèi)傳熱規(guī)律的研究,必須能真實(shí)地、詳細(xì)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(xué)模型來描述管道內(nèi)溫度分布。本文在Euler-Euler 雙流體動(dòng)量傳遞模型和環(huán)管反應(yīng)器聚合傳質(zhì)模型的基礎(chǔ)上5,考慮了環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的傳熱過程,建立了環(huán)管反應(yīng)器傳熱的數(shù)學(xué)模型,對(duì)工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳熱、傳質(zhì)和聚合反應(yīng)進(jìn)行了研究,考察了環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布?？疾飙h(huán)管反應(yīng)器內(nèi)各個(gè)參數(shù)對(duì)反應(yīng)器溫度分布的影響。2 環(huán)管反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型 2.1 傳質(zhì)模型在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi),本文分別對(duì)液固兩相建立連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程,而對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)在環(huán)

11、管反應(yīng)器內(nèi),丙稀聚合屬于連鎖聚合過程,由鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止等基元反應(yīng)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(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)不同,活性中心之間還可能相互轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致其分布隨時(shí)間而變化。兩種活性中心體系的聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程如下:鏈引發(fā) *1C M P + (9 鏈增長(zhǎng) *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(yīng)開始時(shí),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(jì),只考慮鏈增長(zhǎng)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(yīng)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(yīng)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(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示:液體丙烯的導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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°

14、的半圓弧彎管段連接起來,管道內(nèi)徑為0.6 m ,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(shí)際流場(chǎng)為三維流場(chǎng),對(duì)計(jì)算域采用貼體網(wǎng)格,反應(yīng)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(jì)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

15、據(jù)如下方程7計(jì)算得到 s,w 6v v = (22 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(yīng)器內(nèi),為了使反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行,必然需要盡快移除反應(yīng)熱。在環(huán)管反應(yīng)器直管段設(shè)置換熱夾套來移除反應(yīng)熱?？稍谥惫芏卧O(shè)置對(duì)流傳熱邊界條件,而在彎管段采用絕熱邊界條件。直管段對(duì)流傳熱邊界條件(c q K T T = (23對(duì)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(jì)算,首先求解液相和固體顆粒相的速度場(chǎng)。對(duì)于聚合速率r p 的求解,采用丙烯聚合動(dòng)力學(xué)求解。采用有限體積法,求出液相和固體顆粒相速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),然后采用有限體積法對(duì)

16、能量守恒偏微分方程進(jìn)行離散,非線性方程組采用TDMA 方法進(jìn)行求解,流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的求解都采用壓力-速度耦合的SIMPLER 算法,當(dāng)能量守恒方程的前后兩次迭代誤差小于106,認(rèn)為迭代收斂,可求出環(huán)管反應(yīng)器溫度分布。3 結(jié)果與討論3.1 數(shù)學(xué)模型的有效性驗(yàn)證在環(huán)管反應(yīng)器傳熱數(shù)學(xué)模型中,管道內(nèi)漿液溫度分布是一個(gè)重要參數(shù)。本文擬考察不同截面漿液溫表1 丙稀聚合動(dòng)力學(xué)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

17、/kJ mol 1 E d /kJ mol 17.65×107.65×10 4.04×1050 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 1.83×1044 高 校 化 學(xué) 工 程 學(xué) 報(bào) 2010年2月 (a(b (c 圖2 在入口體積分?jǐn)?shù)s = 0.35不同漿液入口速度情況環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度等直線圖 Fig.2 Temperature contours f

18、or different slurry inlet velocities at the entrance 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(yàn)證環(huán)管反應(yīng)器傳熱數(shù)學(xué)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(chǎng)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(chǎng)值吻合,由此可以說明,以顆粒動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的環(huán)管反應(yīng)器傳熱模型來模擬環(huán)管反應(yīng)

19、器內(nèi)傳熱過程是有效的。3.2 環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的研究 3.2.1 漿液速度對(duì)溫度分布的影響圖2表示的是在入口固體顆粒相體積分?jǐn)?shù)s = 0.35時(shí),不同漿液入口速度情況下,環(huán)管反應(yīng)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(yīng)器管壁有冷卻水從反應(yīng)器移出反應(yīng)熱,管壁溫度相對(duì)較低,冷卻水溫度為50,而在管中心溫度相對(duì)較高,存在有一定的溫度差。同時(shí),從圖2還可以看出,在上升直管段,溫度呈中心對(duì)稱分布,而在彎管段、下降直管段,溫度分布不再呈中心對(duì)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(duì)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

20、時(shí),管內(nèi)溫度相對(duì)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(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng),反應(yīng)量就越多,反應(yīng)釋放的熱量就越多。3.2.2 漿液濃度對(duì)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(shí),不同漿液濃度情況下,環(huán)管反應(yīng)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(yīng)器直管段管壁有冷卻水對(duì)反應(yīng)器移出反應(yīng)熱,管壁溫度相對(duì)較低,冷卻水溫度為50,而在管中心溫度相對(duì)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(duì)反應(yīng)器內(nèi)物料反應(yīng)放出的熱量進(jìn)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(duì)較高,同時(shí)彎管段與直管段相

21、比,彎管段溫度分布也不再呈中心對(duì)稱分布;在下降直管段,管內(nèi)溫度同樣不再呈中心對(duì)稱,在圓管右側(cè)區(qū)域溫度比左側(cè)區(qū)域溫度相對(duì)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?jǐn)?shù)為s = 0.3時(shí),管內(nèi)溫度相對(duì)較高,隨著漿液入口固體顆粒相體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)越小,相對(duì)來說液相丙烯量就越多,反應(yīng)速率就越快,反應(yīng)放出的熱量就越多。 3.2.3 冷卻水溫度對(duì)溫度分布的影響圖4表示的是在入口固體顆粒相體積分?jǐn)?shù)s = 0.35、漿液入口速度v = 7 m s 1時(shí),不同的管壁冷卻水溫度情況下,環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度等直線分布圖。從圖4可以看出:在上升

22、直管段,由于在環(huán)管反應(yīng)器管T / KL / m圖1 漿液溫度模擬值與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)值的對(duì)比 Fig. 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(yīng)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

23、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(duì)反應(yīng)器移出反應(yīng)熱,管壁溫度相對(duì)較低,而在管中心溫度相對(duì)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(duì)較低,而在管右側(cè)區(qū)域溫度相對(duì)較高,存在有一定的溫度差。同時(shí),還可以看出,由于管壁冷卻水溫度不同,對(duì)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)冷卻能力也不同。在反應(yīng)器內(nèi)釋放相同的熱量情況下,冷卻水溫度越低,對(duì)反應(yīng)器內(nèi)物料的冷卻能力就越強(qiáng)。 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?jǐn)?shù)s = 0.35、漿液入口速度v = 7m s 1時(shí)

24、,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(duì)稱分布。同時(shí)從圖5可以看出,沿著流體流動(dòng)方向,隨著聚合反應(yīng)釋放出反應(yīng)熱,管中心溫度較高的區(qū)域逐步擴(kuò)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(dòng)方向,由于聚合反應(yīng)釋放出反應(yīng)熱,且在彎管段未有冷卻水移除反應(yīng)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?jǐn)?shù)情況下環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度等直線圖Fig.3 Temperature contours for different slurry inlet volume fractions of solid at slu

25、rry velocity v =7 m s 1(a s= 0.3 (b s = 0.35 (c s = 0.4 T / K121110987654321344.00 343.83 343.66 343.50 343.33 343.16 342.99 342.82 342.65 342.49 342.32 342.15(a (b (c圖4 在不同冷卻水溫度情況下環(huán)管反應(yīng)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 = 551211

26、10987654321344.00 343.74 343.48 343.22 342.96 342.70 342.45 342.19 341.93 341.67 341.41 341.15T / K46 高 校 化 學(xué) 工 程 學(xué) 報(bào) 2010 年 2 月 從上面對(duì)環(huán)管反應(yīng)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(yīng)器溫度分布并不是均勻的，在上升段呈中心對(duì)稱分布，而在彎管段不再呈中心對(duì)稱，也必 然影響到下降段不再呈中心對(duì)稱分布。 4 結(jié) 論 對(duì)工業(yè)烯烴聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳熱進(jìn)行了研究，考察了環(huán)管反應(yīng)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

27、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)值吻合，以顆粒動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的環(huán)管反應(yīng)器傳熱模型來模擬環(huán)管 反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程是有效的。環(huán)管反應(yīng)器溫度分布與物料濃度分布也一樣，分布并不是均勻的。在彎管 段不再呈中心對(duì)稱，也必然影響到下降段不再呈中心對(duì)稱分布。 隨著漿液入口速度的增加，環(huán)管反應(yīng)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?jǐn)?shù)增加，環(huán)管反應(yīng)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(duì)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)冷卻能力也不同。在反應(yīng)器內(nèi)釋放相同的熱量情況下，冷卻 水溫度越低，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)物料的冷卻能力就越強(qiáng)。 符號(hào)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，k

28、Jkg1K1 重力加速度，ms2 反應(yīng)熱，Jmol1 混合相湍動(dòng)能，m2s-2 催化劑失活速率常數(shù)，s1 混合相導(dǎo)熱系數(shù)，Wm1K1 液體丙烯導(dǎo)熱系數(shù)，Wm1K1 聚合速率常數(shù)，Lmol1s1 聚丙烯導(dǎo)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(zhǎng)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(zhǔn)數(shù) 傳熱量，Wm2 聚合速率，kgm3s1 管道半徑，m 能量守恒方程源項(xiàng) 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

29、l 液相體積分?jǐn)?shù) s 固體顆粒相體積分?jǐn)?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(dòng)能耗散效率，m2s-3 l 液相剪切應(yīng)力張量，Nm2 s 固體顆粒相剪切應(yīng)力張量，Nm2 下標(biāo) 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(xiàn)： 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.