流速对聚丙烯环管反应器内部流场的影响研究

王政文，张万尧，董慧敏，余金锭，汤瞿明

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 国家干燥技术及装备工程技术研究中心，甘肃 兰州 730060；2.福建中景石化有限公司，福建 福清 350309；3.中石化宁波镇海炼化有限公司，浙江 宁波 315207)

1 三维建模与网格划分

1.1 三维建模

本文所研究的工业规模聚丙烯八腿环管反应器为天华化工机械及自动化研究设计院有限公司(以下称天华院)于2020年完成设计制造，单台反应器要求年产量为60万吨，使用寿命为20年，反应器内筒体材质为SA-671 Class22 CC70。主要计算参数见下表1所示。

表1 主要计算参数

本文根据聚丙烯环管反应器的二维工程图(见图1左图所示)，进行三维建模(见图1右图所示)。建立的三维装配图可以直观清晰的表明环管反应器整体的结构，建立的三维流体域(见图2所示)，作为本文所研究内容的边界范围。

图1 环管反应器二维工程图与三维装配图

图2 环管反应器三维流体域图

由于聚丙烯八腿环管反应器，是由左右镜像对称的两个四腿环管反应器组成(即R-201、R 202)，对R-201、R-202进行流场特性研究时会得到相同的结果，因此本文仅选取R-201为研究对象。

三维流体域的主要结构由四根直管段、两个180°弯头、一个L形弯头(由一个90°弯头与一个连接段组成)以及一个U形弯头(由两个90°弯头与一个连接段组成)组成。为了能够更准确且更直观的得到反应器的三维模型，并通过使用流体力学软件对反应器内部进行流场特性研究，决定对反应器采用1∶1比例进行三维建模。

1.2 网格划分

本文选用计算流体力学(CFD)软件对建立好后的聚丙烯环管反应器三维流体域进行非结构化网格划分(见图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示)。网格划分总数为2 575 866，并经过网格无关性验证，且网格质量均大于0.4。

图3 环管反应器三维流体域非结构化网格划分结果图

2 数学模型

模型求解计算在流体力学软件中进行，首先将流体在环管反应器内流动的雷诺数计算出来。计算公式见式(1)所示：

通过公式(1)对雷诺数的计算得知，雷诺数远大于4 000，表明对于本文的研究，流体在环管反应器内的流动状态属于湍流状态。

对于流场中速度、压力与湍动能的研究，计算时决定采用Realizable k-ε模型与标准壁面函数(Standard Wall Functions)，并采用稳态模拟与SIMPLE算法对反应器三维流体域的梯度项(Gradient)与压力项(Pressure)进行耦合计算。

2.1 Realizable k-ε模型

Realizable k-ε模型的湍动能、湍流耗散率的输运方程分别由公式(2)、(3)表示，其中公式(3)中的C1由公式(4)表示：

在软件中，默认设置σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9，C1ε=1.44。

湍流黏性系数公式有如公式(5)的形式，其中公式(1.5)中的Cμ由公式(6)表示，公式(6)中的U*、A0、AS分别由公式(7)、(8)表示，公式(8)中的φ由公式(9)表示，公式(9)中的W由公式(10)表示，公式(10)中的、Sij由公式(11)表示：

在平衡边界层惯性底层，Cμ=0.09。

在流体力学软件中，流体在流场中所受的重力、浮力以及流体的密度与温度梯度对湍动能的影响都是存在的。但是浮力对湍流耗散率的影响不是很清楚，因此在湍流耗散率方程的默认设置中，浮力的影响不被考虑。

2.2 边界条件

对于本文的流场特性研究，决定将环管反应器内部流体在入口面(inlet)与出口面(outlet)流动的边界条件设置为不可压缩流动，即速度进口(Velocity-inlet)与自由出流(Outflow)。并将反应器内液相与壁面边界(wall)指定为无滑移条件，将固相指定为部分滑移模型[1-2]。

3 不同流速(4、10 m/s)下对反应器内部的流场分析

3.1 不同流速下的速度云图

图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示为聚丙烯环管反应器内部流体在管径为800 mm、流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的速度云图，内容包括XY面Z=0时速度云图、XY面Z=5.6 m时速度云图、YZ面X=0时速度云图、YZ面X=5.6 m时速度云图以及XZ面Y=-1.3 m时速度云图。

图4 不同流速下的速度云图

在流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的速度云图中，速度在整个环管反应器结构中各个位置的大小变化均不明显。这说明环管反应器在此结构下不会因为流速的改变而影响到反应器内部速度的分布情况；也能证明环管反应器在管径为800 mm时结构的合理性，丙烯聚合反应能够在此结构下不会因流速问题影响到反应的正常进行。

3.2 不同流速下的压力云图

图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示为聚丙烯环管反应器内部流体在管径为800 mm、流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的压力云图，内容包括XY面Z=0时压力云图、XY面Z=5.6 m时压力云图、YZ面X=0时压力云图、YZ面X=5.6 m时压力云图以及XZ面Y=-1.3 m时压力云图。

图5 不同流速下的压力云图

从图5(a)中可以看出，相比于流体流速4 m/s(左图)，流体流速在10 m/s(右图)时，弯头入口处弯头外侧压力明显变大，而弯头出口处至直管段的位置上，弯头内侧压力有一个由小变大再变小的过程。这可能是由于流速过大，流体流入弯头时，对入口处弯头外侧的冲击作用，从而导致了局部压力变大；而流体在弯头出口至直管段的位置上压力的变化，可能是由于弯头的几何机构所引起的离心力的作用所导致的，不同流速的流体流经相同结构的弯头时，局部能量损失是不同的，速度大的能量损失较小，速度小的能量损失较大(图5(a)流体流动方向为右进左出)。

图5(b)、(c)、(d)、(e)也同样表明了不同流速的流体流经相同结构的弯头时，速度。大的能量损失较小，速度小的能量损失较大(图5(b)流体流动方向为左进右出，图5(c)流体流动方向为右进左出)。

通过对比不同流速下的压力云图，会发现在流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的压力云图中，压力大小在环管反应器内部有明显的变化。这也意味着丙烯聚合反应要在环管反应器内部合适的压力下才能正常进行。而过大的流速，流体的能量损失小，可能会导致反应不完全，从而带来经济损失；而较小的流速，流体的能量损失大，反应虽然彻底，但是浪费了时间成本，降低了生产效率。

3.3 不同流速下的湍动能云图

图6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示为聚丙烯环管反应器内部流体在管径为800 mm、流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的湍动能云图，内容包括XY面Z=0时湍动能云图、XY面Z=5.6 m时湍动能云图、YZ面X=0时湍动能云图、YZ面X=5.6 m时湍动能云图以及XZ面Y=-1.3 m时湍动能云图。

图6 不同流速下的湍动能云图

在流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的湍动能云图中，湍动能在整个环管反应器结构中各个位置的大小变化均不明显。我认为这可能是由于湍动能与平均流体速度、湍流强度成正比的原因，当湍流强度为一定值时，流体在反应器内流动的平均速度越大，则湍动能越大；平均速度越小，则湍动能越小。而在流速为4 m/s(左图)和10 m/s(右图)时的速度云图中，流速在整个环管反应器结构中各个位置的大小变化均不明显，这可能是导致整个环管反应器结构中各个位置的湍动能没有发生明显变化的根本原因。

4 结论与结语

4.1 结论

本文根据天华院承担的工业规模聚丙烯八腿环管反应器研制需要，对设备核心的环管反应器在相同管径不同流速下的速度云图、压力云图、湍动能云图进行了研究与分析。通过对速度云图的分析可知，环管反应器在此结构下不会因为流速的改变而影响到反应器内部速度的分布情况。通过对压力云图的分析可知，丙烯聚合反应要在环管反应器内部合适的压力下才能正常进行。而过大的流速能量损失小，可能会导致反应不完全，从而带来经济损失；而较小的流速能量损失大，反应虽然彻底，但是浪费了时间成本，降低了生产效率。通过对湍动能云图的分析可知，湍动能在整个环管反应器结构中各个位置的大小变化均不明显，这可能是由于湍动能与平均流体速度、湍流强度成正比的原因，由于流速在整个环管反应器结构中各个位置的大小变化均不明显，从而导致湍动能也没有发生明显变化。通过对相同管径不同流速下的速度云图、压力云图与湍动能云图的研究与分析，不仅模拟出了流体在流场中速度、压力与湍动能在不同工况下的大小变化情况，还验证了环管反应器在管径选取为800 mm时结构与参数的合理性，同时在此结构与参数下丙烯聚合反应能够顺利且正常进行，大大提高了聚丙烯的生产效率。

4.2 结语

本文对于流速对聚丙烯环管反应器内部流场的影响研究中，因涉及较多学科交叉，并需要浏览大量中外文献用来熟悉聚丙烯的特性、工业应用、工艺流程与环管反应器的结构特点、研究现状等。相关知识范围非常广，研究过程也十分复杂，因此只能对环管反应器进行以上研究与分析。而环管反应器内部流体流动时的流态复杂多样并伴有化学反应，怎样能够更全面的对环管反应器内部进行模拟分析，一直是困扰多年的难题。有关环管反应器内部丙烯聚合过程的模拟研究、非均匀流动特性模拟研究等诸多问题，还需要日后进一步的去探讨与研究。