环管反应器内传热过程的数值模拟

1、2010 年 2 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Feb. 2010文章编号:1003-9015(201001-0041-06环管反应器内传热过程的数值模拟刘永兵, 陈纪忠, 阳永荣(浙江大学化学工程与生物工程学系, 浙江杭州 310027摘要:为了对环管反应器内传热规律进行研究,在Euler-Euler双流体动量传递模型和环管反应器聚合传质模型的基础上,考虑了环管反应器内传热过程,建立了环管反应器传热数学模型,对工业烯烃聚合环管反应器内流动、传热和传质及聚合反应过程进行了研究。反应器内浆液温度的模拟值与工业现

2、场值吻合,说明所建立的环管反应器传热数学模型是有效的。模拟结果表明,环管反应器温度与物料浓度存在不均匀分布。在上升段,温度分布呈中心对称,在弯管段不再呈中心对称,下降段的温度因弯管段的不均匀分布而不再呈中心对称分布;随着浆液入口速度或入口固体颗粒相体积分数的增加,环管反应器上升直管段,弯管段以及下降直管段温度降低;管壁冷却水温度不同,对环管反应器内冷却能力也不同,在反应器内相同的释放热量情况下,冷却水温度越低,对反应器内物料的冷却能力就越强。关键词:环管反应器;两相流;传热模型;计算流体力学中图分类号:TQ021.3;TQ018 文献标识码: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引言在环管反应器内,液相烯烃和固体颗粒相聚烯烃在反应器中作高速循环流动,在流动过程中不仅实现液固两相动量和质量传递,由于聚合过程中同时还释

8、放出大量的反应热,反应器内同时存在着热量传递。在环管反应器内,为了使反应在恒温下进行,必然需要尽快移除反应热。反应热的移除,一般设置换热夹套来移除反应热,由于环管反应器具有较大的传热面积,传热传质性能良好,因此在烯烃聚合工艺等高分子合成工艺中得到很好的运用14。环管反应器内传热规律的研究对环管反应器的设计、制造和收稿日期:2009-05-03;修订日期:2009-11-17。作者简介:刘永兵(1972-,男,湖南邵阳人,湖南理工学院副教授,博士。通讯联系人:陈纪忠,E-mail:chenjz运行可靠性、安全性都具有非常重要的意义。对反应器内传热规律的研究,必须能真实地、详细地描述管道内温度分布

9、,这就需要建立合适的传热数学模型来描述管道内温度分布。本文在Euler-Euler 双流体动量传递模型和环管反应器聚合传质模型的基础上5,考虑了环管反应器内的传热过程,建立了环管反应器传热的数学模型,对工业烯烃聚合环管反应器内传热、传质和聚合反应进行了研究,考察了环管反应器内的温度分布。考察环管反应器内各个参数对反应器温度分布的影响。2 环管反应器数学模型 2.1 传质模型在环管反应器内,本文分别对液固两相建立连续性方程和动量守恒方程,而对于能量守恒方程,则把液态丙烯和聚丙烯处理为混合相,对混合相建立传热模型:液相连续性方程:l l l (v m= (1 固相连续性方程:s s s (v m=

10、 (2 液相动量守恒方程: 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 =+固相动量守恒方程: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 丙烯聚合动力学在环

11、管反应器内,丙稀聚合属于连锁聚合过程,由链引发、链增长、链转移、链终止等基元反应组成。在非均相Ziegler-Natta 催化剂中存在两种以上的活性中心,不同的活性中心其反应动力学常数不同,活性中心之间还可能相互转化,导致其分布随时间而变化。两种活性中心体系的聚合反应动力学方程如下:链引发 *1C M P + (9 链增长 *12P M P + (10*+1P M +i i P (11链转移 向单体转移 *1P M P P +i i (12 向氢转移 *2P H P C +i i (13 链终止 *P P C +i i (14*Donor*P P C +i i (15聚合反应开始时,由于活性中

12、心浓度很大,链引发速率很快,可以忽略不计,只考虑链增长速率,聚合速率方程:聚合速率 *p p MC r k = (16 链转移速率 0.5*tr tr 2H C r k = (17第24卷第1期 刘永兵等: 环管反应器内传热过程的数值模拟 43催化剂失活速率 *d d C r k = (18 式中反应速率常数均符合Arrhenius 方程,即0exp(Ek k RT=,其中M,*C ,2H 分别代表丙稀单体、催化剂活性中心、氢气的浓度,kmol m 3。动力学参数如表1所示:液体丙烯的导热系数k l 关联式6:7211l 0.29060.00060530.125610(W m K k T T

13、=+ (19式(19的适用范围为88343K 。液体丙烯的热容C p,l 关联式6:46211p,l 82.16128.18310249.70910(kJ kmol K C T T =+ (20 聚丙烯的导热系数k s 为11762436 W m 1K 1,在0100之间随温度的增加而增大。 等规聚丙烯的热容C p,s =1.9 kJ kg 1K 1。 反应热H =85830 J mol 1。 2.3 物理模型及边界条件本研究所采用的物理模型为环管反应器的一部分,由两根直管段和一根半圆弧弯管段组成,直管段分为上升段和下降段,两根直管段通过由180的半圆弧弯管段连接起来,管道内径为0.6 m ,

14、每根直管段高26 m ,两根直管中心线的距离4.2 m 。物性参数如表2所示。实际流场为三维流场,对计算域采用贴体网格,反应器径向网格采用从中心到边壁渐密网格,轴向对于两根直管段为均匀网格,弯管段均匀加密。固体颗粒相采用均匀入口条件,液相入口轴向速度均匀分布,径向和切向速度均为0;入口处混合相k 和的边界值可根据如下方程计算得到:2in m 0.004k u = ; 1.5in 0.09/0.03k R = (21出口处取充分发展的管流条件。边壁处液体取无滑移边界条件,固体颗粒相处于自由滑移和无滑移边界条件之间,固体颗粒法向速度为0,切向速度可根据如下方程7计算得到 s,w 6v v = (2

15、2 固体颗粒相和液相入口温度采用均匀恒定分布。在环管反应器内,为了使反应在恒温下进行,必然需要尽快移除反应热。在环管反应器直管段设置换热夹套来移除反应热。可在直管段设置对流传热边界条件,而在弯管段采用绝热边界条件。直管段对流传热边界条件(c q K T T = (23对流传热系数K =2325.6 J (m 2K1。传热模型中需要求解的其它变量。利用Euler-Euler 双流体模型5计算,首先求解液相和固体颗粒相的速度场。对于聚合速率r p 的求解,采用丙烯聚合动力学求解。采用有限体积法,求出液相和固体颗粒相速度场和压力场,然后采用有限体积法对能量守恒偏微分方程进行离散,非线性方程组采用TD

16、MA 方法进行求解,流场和温度场的求解都采用压力-速度耦合的SIMPLER 算法,当能量守恒方程的前后两次迭代误差小于106,认为迭代收敛,可求出环管反应器温度分布。3 结果与讨论3.1 数学模型的有效性验证在环管反应器传热数学模型中,管道内浆液温度分布是一个重要参数。本文拟考察不同截面浆液温表1 丙稀聚合动力学参数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 物性参数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 学 工 程 学 报 2010年2月 (a(b (c 图2 在入口体积分数s = 0.35不同浆液入口速度情况环管反应器内温度等直线图 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度沿着轴向变化情况,验证环管反应器传热数学模型的有效性。图1为沿着轴向不同截面浆液温度的模拟值与工业现场值的比较图。从图1可以看出:浆液温度模拟值与工业现场值吻合,由此可以说明,以颗粒动力学为基础的环管反应器传热模型来模拟环管反应器内传热过程是有效的。3.2 环管反应器内温度分布的研究 3.2.1 浆液速度对温度分布的影响图

19、2表示的是在入口固体颗粒相体积分数s = 0.35时,不同浆液入口速度情况下,环管反应器内温度等直线分布图。从图2可以看出:在上升直管段由于在环管反应器管壁有冷却水从反应器移出反应热,管壁温度相对较低,冷却水温度为50,而在管中心温度相对较高,存在有一定的温度差。同时,从图2还可以看出,在上升直管段,温度呈中心对称分布,而在弯管段、下降直管段,温度分布不再呈中心对称分布。在下降直管段,在圆管右侧区域温度比左侧区域温度相对较高,存在有一定的温度差。从图2还可以看出,在浆液入口速度v = 6 m s 1时,管内温度相对较高,随着浆液入口速度的增加,管内温度也降低。这主要是由于浆液入口速度越小,反应

20、器内停留时间越长,反应量就越多,反应释放的热量就越多。3.2.2 浆液浓度对温度分布的影响图3表示的是在浆液入口速度v = 7m s 1时,不同浆液浓度情况下,环管反应器温度等直线分布图。从图3可以看出:在上升直管段,由于在环管反应器直管段管壁有冷却水对反应器移出反应热,管壁温度相对较低,冷却水温度为50,而在管中心温度相对较高,存在有一定的温度差;而到了弯管段,由于管壁无冷却水对反应器内物料反应放出的热量进行移除,与前面的上升段温度分布相比,弯管段温度比上升直管段温度相对较高,同时弯管段与直管段相比,弯管段温度分布也不再呈中心对称分布;在下降直管段,管内温度同样不再呈中心对称,在圆管右侧区域

21、温度比左侧区域温度相对较高,存在有一定的温度差。从图3还可以看出,在浆液入口固体颗粒相体积分数为s = 0.3时,管内温度相对较高,随着浆液入口固体颗粒相体积分数增加,管内温度也降低。这主要是由于浆液入口固体颗粒相体积分数越小,相对来说液相丙烯量就越多,反应速率就越快,反应放出的热量就越多。 3.2.3 冷却水温度对温度分布的影响图4表示的是在入口固体颗粒相体积分数s = 0.35、浆液入口速度v = 7 m s 1时,不同的管壁冷却水温度情况下,环管反应器内温度等直线分布图。从图4可以看出:在上升直管段,由于在环管反应器管T / KL / m图1 浆液温度模拟值与工业现场值的对比 Fig.

22、1 Comparison of the slurry temperature from simulation value with the industrial field value.第24卷第1期 刘永兵等: 环管反应器内传热过程的数值模拟 45 344.00343.83343.66343.50343.33343.16342.99342.82342.65342.49342.32342.15(a 45 (b 90 (c 135 (d 180图5 弯管段不同位置温度等值线分布图 Fig.5 Temperature contours at different positions壁有冷却水对反应器

23、移出反应热,管壁温度相对较低,而在管中心温度相对较高,存在有一定的温度差。在弯管段,无冷却水套管,在下降直管段,管壁温度相对较低,而在管右侧区域温度相对较高,存在有一定的温度差。同时,还可以看出,由于管壁冷却水温度不同,对环管反应器内冷却能力也不同。在反应器内释放相同的热量情况下,冷却水温度越低,对反应器内物料的冷却能力就越强。 3.2.4 弯管段不同截面的温度分布图5表示的是在入口固体颗粒相体积分数s = 0.35、浆液入口速度v = 7m s 1时,弯管段不同截面的温度等直线分布图。从图5可以看出,在弯管段温度不再呈中心对称分布。同时从图5可以看出,沿着流体流动方向,随着聚合反应释放出反应

24、热,管中心温度较高的区域逐步扩大。而且温度较高的区域在弯管段外侧壁。从图5还可以看出,沿着流体流动方向,由于聚合反应释放出反应热,且在弯管段未有冷却水移除反应热,使得截面上温度差距变小。(a (b (c图3 在浆液速度为7 m s 1不同浆液入口体积分数情况下环管反应器内温度等直线图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图4 在不同冷却水温度情况下环管反应器内温度分布等直线图 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 学 工 程 学 报 2010 年 2 月 从上面对环管反应器物理模型上升段、弯管段和下降段在不同的工艺参数条件下温度分布的研究可 知。环管反应器温度分布并不是均匀的，在上升段呈中心对称分布，而在弯管段不再呈中心对称，也必 然影响到下降段不再呈中心对称分布。 4 结 论 对工业烯烃聚合环管反应器内传热进行了研究，考察了环管反应器内液固两相流的温度分布。模拟 结果表明，浆液温度模拟值与工业现场值吻合，以颗粒动力学为基础的环管反应器传热模型来模拟环管 反应器内传热过程是有效的。环管反应器温度分布与物料浓度分布也一样，分布并不是均

27、匀的。在弯管 段不再呈中心对称，也必然影响到下降段不再呈中心对称分布。 随着浆液入口速度的增加，环管反应器弯管段以及下降直管段温度降低；随着入口固体颗粒相体积 分数增加，环管反应器弯管段以及下降直管段温度降低。 管壁冷却水温度不同，对环管反应器内冷却能力也不同。在反应器内释放相同的热量情况下，冷却 水温度越低，对反应器内物料的冷却能力就越强。 符号说明： C* Cp,l Cp,s g H 催化剂活性中心 液体丙烯热容，kJkmol1K1 聚丙烯热容，kJkg1K1 重力加速度，ms2 反应热，Jmol1 混合相湍动能，m2s-2 催化剂失活速率常数，s1 混合相导热系数，Wm1K1 液体丙烯导

28、热系数，Wm1K1 聚合速率常数，Lmol1s1 聚丙烯导热系数，Wm1K1 链转移速率常数，Lmol0.5s1 液固传递系数，kgm3s1 管道长度，m 丙烯单体 聚合速率，kgm3s1 丙烯死聚物 丙烯活聚物 压力，Pa 颗粒相压力，Pa 普朗特准数 传热量，Wm2 聚合速率，kgm3s1 管道半径，m 能量守恒方程源项 T 温度，K Tc 冷却水温度， u 入口速度，ms1 vl 液相局部速度，ms1 vs 固体颗粒相局部速度，ms1 希腊字母 l 液相体积分数 s 固体颗粒相体积分数 s 固体颗粒相整体黏度，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 固体颗粒相密度，kgm3 湍动能耗散效率，m2s-3 l 液相剪切应力张量，Nm2 s 固体颗粒相剪切应力张量，Nm2 下标 c 冷却水 in 入口 l 液相 m 混合相 s,p 固体颗粒相 k kd keff kl kp ks ktr Ksl L M m P P* P Ps Prt q rp R SE 参考文献： 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