带芯管的管式反应器中流体力学的实验研究

于立富，孙怀宇

（沈阳化工大学 化学工程学院，辽宁 沈阳 110142）

氯乙烯转化器是一种固定床催化反应器，是氯乙烯合成工艺中的关键设备[1]。转化器列管内填充经HgCl2浸渍、干燥的活性炭催化剂，反应温度为160～180℃[2]，混合反应气体走管程，列管之间循环冷却介质（庚烷等）[3，4]。该反应属于固定床强放热反应，存在的问题是反应集中在管长方向上的局部进行，容易在此部分引起飞温而导致催化剂失活。这种情况限制了管中反应气的流速，使转化器生产能力难于进一步提高。

在管式反应器内加入芯管，可以改变转化器管内气体的流动分布，分散放热区域，降低局部的高温，从而增大反应器的流动速度，提高生产能力。本文通过对加入芯管后的管式反应器进行流体力学实验及模拟计算，以得到在芯管上开不同孔径情况下对应的夹层及芯管的流速和阻力系数[5]，并通过拟合得到其阻力系数的公式。此研究有助于掌握反应器中的流体流动特性，为进一步设计及优化[6]带芯管式转化器打下基础。

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验装置如图1所示，主要由风机、空气转子流量计、Φ70×2.5mm外管、Φ10×1.5mm芯管、U形管压差计等构成。外管内同心安装芯管，管长为1000mm,在芯管500mm位置围绕一周开孔。芯管与转化器列管之间填充粒状活性炭。实验中芯管开孔孔径分别为2.5，3.0和3.2mm，个数为9个孔。

图1 流体力学实验装置Fig.1 Fluid mechanics experimental device

1.2 实验方法

本实验用空气作为工作介质。为说明气体的流程，在图2中使用字母进行了标识，A表示夹层入口、B表示夹层侧芯管开孔、C表示芯管侧开孔、D表示阶层出口、E表示芯管出口、F表示芯管入口。

图2 测量装置图Fig.2 System measurement

通过测量气体流经活性炭夹层（A→B→D）的压差，可以计算出活性炭层的阻力。再使空气从夹层A流入，通过夹层B流经芯管开孔C，并从芯管末端E流出，计算出阻力ABCE。根据流体阻力公式可以得到芯管阻力ABD。通过计算BC=ABCE-AB-CE得到芯管开孔处的阻力。根据以上数据，处理分析，拟合出芯管开孔处出阻力系数f关于雷诺数Re 的关系式[7]。

2 结果与讨论

2.1 芯管开孔大小对夹层和芯管流速的影响

空气进入反应器后从夹层流入，并分别从芯管和夹层流出（A→B→D与A→B→C→E），在芯管不同开孔孔径情况下气体在芯管和夹层中的流动情况：

图3 不同孔径情况下芯管气体流量分布Fig.3 Air flow distribution in core tube under different aperture

图4 不同孔径情况下夹层气体流量分布Fig.4 Air flow distribution in interlayer under different aperture

图5 不同孔径情况下芯管/夹层气体流量比率Fig.5 Air flow rate in core tube and interlayer under different aperture

在相同入口流量条件下，空气只由夹层流入，并分别从芯管和夹层流出，与实际生产相类似，只是芯管中气体流动方向相反。通过图5可以看出，孔径越大，芯管的出口流量越大，夹层的出口流量越小。当处于相同芯管开孔孔径的条件下，芯管的出口流量要远大于夹层的出口流量，说明芯管中的流动阻力系数远小于夹层中的阻力系数。

2.2 芯管开孔大小对夹层和芯管阻力系数的影响

2.2.1 空气从夹层进入并从芯管末端流出 封闭芯管两端，空气从夹层进入，从夹层末端流出（A→B→D）。测量空气通过夹层中活性炭颗粒时的流动情况。阻力系数定义式为:

式中 ΔΡ：压差，Pa；ζ：阻力系数；Z：管长，m；V：夹层中空气实际流速，m·s-1；ρ：空气密度，kg·m3。利用公式（1）求取阻力系数。

图6 气体通过夹层时阻力系数Fig.6 Resistance coefficients when air flow the interlayer

通过图6可以发现，当气体只通过活性炭夹层时，阻力系数随着入口流量的增加而逐渐变小。其阻力系数拟合公式为：Y=59230+9.4X-0.003X2，X表示入口的流量，Y表示夹层的阻力系数。

2.2.2 空气从夹层进入，经过芯管开孔处并从芯管末端流出 空气进入反应器后只从夹层部分流入，气体流经上半部分夹层后穿过芯管开孔从芯管末端流出（A→B→C→E），在芯管不同开孔孔径情况下气体的流动情况：

图7 气体流经夹层从芯管流出时阻力Fig.7 Resistance coefficients when air flow the interlayer out of the core tube

图7为上半部分夹层阻力、开孔处阻力、下半部分芯管的阻力之和，此时的阻力系数随着流量的增加呈减小趋势。

由于芯管为光滑管，气体流经管道时管道沿程阻力系数（fAD）根据文献[8，9]可得。

对于气体来说，其阻力系数可用以下简化公式进行估算：

式中 d：直径，芯管内壁光滑η取1。

图8 芯管开孔处的阻力系数及拟合曲线Fig.8 Resistance coefficients and fitting curve of open pore of core tube

由图8可以看出，空气进入夹层，并分别从芯管和夹层流出，在保持相同入口流量条件下，芯管开孔处阻力系数情况:

同一孔径：阻力系数均随着入口总流速的增加而呈增大趋势，其中孔径为2.0mm时阻力系数最大。

不同孔径：在总进口流速较大和较小的情况下，阻力系数随总进口流速的增加而呈减小趋势；在总趋势上，3.2mm的阻力系数最小，孔径为2.0mm的阻力系数最大。

拟合公式为：f2.0=9610+2.14Re

拟合公式为：f2.5=9484+2.15Re

拟合公式为：f3.2=8767+2.19Re

开孔处的阻力系数随着入口流量的增加而呈增加趋势，由图8知，在入口流量约为2400L·h-1时，芯管开孔处的阻力系数最小。

3 结论

本文主要针对芯管上不同开孔大小的芯管式转化器进行研究，将空气用作工质流体来进行冷态实验操作。得到如下结论：

（1）当空气进入夹层，分别从芯管和夹层同时流出时，在相同的入口流量时，开孔直径越大，夹层和芯管的出口流量分流越明显；在相同的孔径的条件下，随着入口流量的增加，夹层和芯管的出口流量差值减小；说明芯管中的流动阻力系数远小于夹层中的阻力系数。

（2）空气从夹层流入，流经芯管开孔处，并从芯管末端流出，数据处理后得到空气在芯管开孔处的阻力系数与雷诺数的关系。

［1］黄志明.聚氯乙烯工艺技术［M］.北京：化学工业出版社，2007：64-66.

［2］胡玉梅.我国PVC行业现状及装置建设若干问题探讨［J］.当代石油石化，2006,14（2）:23-27.

［3］邓安庆.我国乙炔法氯乙烯生产技术的回顾与改造［J］.化工设计，1997,（3）:5-7.

［4］吴玉初，刘炼钦.氯乙烯合成反应器庚烷循环冷却技术［J］.聚氯乙烯，2010，09.

［5］黄志甲,雷博,鲁月红.填料层阻力的实验研究［J］.广州化工，2009，（37）：84-86.

［6］渠晓东.氯乙烯生产过程优化控制研究［D］.大连理工大学2007.5-8.

［7］陈敏恒，丛德滋等.化工原理（上）［M］.北京：化学工业出版社,2006.28-30.

［8］徐生盼，陈庆军，梁晓怿，凌立成.球形活性炭流体力学特性的研究［J］.炭素，2008，（3）：24-26.

［9］殷海青.管道沿程阻力系数测定实验的计算机处理［J］.西北纺织工学院学报，2000,（9）.