丁醇羰基合成反应器流体搅拌改造与应用

刘来志

（兖矿鲁南化工有限公司，山东滕州277527）

兖矿鲁南化工有限公司丁醇装置丁醛制备单元有羰基合成反应器两台，每台反应器配LIGHTNIN 机械搅拌器一台，通过机械搅拌使原料气和母液均匀混合。搅拌器原装Flowserve 带轴套双端面集装式机械密封，采用Plan 53 A 冲洗方案。开车初期,机械密封运行极不稳定，最短运行仅几个小时，系统即被迫停车更换损坏零件，严重影响系统的稳定运行。通过对2#羰基合成反应器进行流体搅拌改造，拆除了原有机械搅拌器，实际运行效果满足了工艺要求。

1 搅拌技术简介

搅拌分为机械搅拌和流体搅拌，一般丁醇羰基合成反应器都是采用机械搅拌。其设备结构比较复杂，且重要部件机械密封、底轴承等易损坏，特别是底部轴瓦和衬套的维修，需排尽反应器内物料并可靠置换后，检修人员才能进入反应器底部更换零件，设备无法实现安全稳定长周期运行。

流体搅拌技术是在气流搅拌的基础上研发并应用的一种新技术，它充分利用反应器母液自身循环，通过改善合成气及循环母液分布，实现反应器内气液相充分混合，使反应速率大大提高，从而起到替代机械搅拌器的功能。流体搅拌系统的应用不仅消除了机械搅拌可能造成的停车隐患，而且节约了大量维护费用。

2 流体搅拌技术应用

2.1 计算流体力学（CFD）分析

计算流体力学是一种通过计算机数值计算和模拟图像，对各种流体流动和传热等相关物理现象的系统做模拟分析的一门学科[1]。通过对反应器内的三维高速湍流（同时还伴随着流体的脉动以及随机湍动）的分析[2]，来模拟预测不同工艺条件下反应器内介质的流动与混合。CFD 技术可以模拟在不同工艺条件下，反应器内的流速分布、浓度分布以及计算相关的流动参数，具有可视化、客观性以及高效性的优势。利用CFD 技术，不仅可以使用户直观地观察反应器内流体的流动，还可以根据模拟结果对工艺设计进行优化。

2.2 原搅拌系统仿真分析

采用计算流体技术（CFD）的方法对流体搅拌系统中反应器进行仿真计算分析，通过选取截面气体浓度分布分析，结果如下：

（1）靠近气体分布器出口处，气体浓度最大，远离气体分布器小孔出口处，气体浓度逐渐降低。

（2）气体主要集中在气体速度流线上，而且与四周液体混合效果较差，由此可知，反应器内气液混合不均匀。

（3）可能由于气体分布器开孔直径较大，在气体流量一定条件下，使气体出口速度较小，导致气体引入反应器后前进动力不足。

通过对选取截面气体速度分析，结果如下：

（1）靠近气体分布器小孔出口处，气体速度最大，远离小孔出口处，气体速度逐渐降低，反应器内中间气体速度要高于四周气体运动速度。

（2）气体运动方向是向上的，但是在靠近反应器壁面靠下处，出现了气体回流现象。

（3）反应器内气体速度分布不均匀，甚至局部位置气体运动速度为零，间接反映了反应器内气体分布不均匀。

通过以上分析结果可知，由于原来机械搅拌系统中反应器的气体分布器开孔大、数量少等原因，造成气体在反应器内分布不均匀，气体利用率相对较低。

2.3 优化搅拌系统方案

根据原有搅拌系统反应器气体流速、浓度分布及液体速度分布仿真结果，针对原有搅拌系统存在气体分布器开口数量少、分布不均匀、孔径尺寸较大、液体回流进口角度等问题，提出以下优化改进方案：①增加气体分布器开孔数量；②减小气体分布器开孔的尺寸；③扩大气体分布区域；④降低进口喷射速度；⑤改变液体进口角度。

2.4 优化流体改造方案实施

根据优化搅拌系统方案，对2#羰基合成反应器做如下改造：

（1）原分布器开孔φ12.7 mm，新分布器开孔φ4 mm 和φ6 mm。

（2）原分布器开孔数量14 个，新分布器φ4 mm 孔数量240 个，φ6 mm 孔数量21 个。

（3）原分布器一圈，新分布器分为内、外两圈。

（4）原液体进口为直喷，新分布器为倾斜15°斜向上喷。

（5）拆除原机械搅拌器、挡板等。

3 运行效果

2#羰基合成反应器于2016年6月系统检修期间完成了机械搅拌器的拆除，旧分布器的拆除以及新分布器的安装和进料口的改造。系统开车后搅拌效果良好，完全满足工艺要求，各项指标均优于改造前。2018年6月系统检修期间，对流体搅拌改造部件进行了检查，各部件完好，未发现异常。

4 总结

流体搅拌技术充分利用反应器母液自身循环，改善了原料气体及循环母液分布，分布器小孔使反应气泡分散成小气泡并变得更均匀，实现了反应器内气液相的充分混合，使反应速率大大提高；同时流体搅拌技术的应用消除了机械搅拌可能造成的停车隐患，实现了安全稳定长周期运行，并节约了投资、运行和维护费用支出。流体搅拌技术的应用及优化在丁醇生产及相关流体搅拌行业的推广应用潜力巨大。