溢流式搅拌釜反应器内多相流动与混合的理论研究与工程优化

摘要

化学工业是国民经济的重要支柱产业之一，搅拌釜常常在化学工业中作为反应器使用，因而具有举足轻重的作用。在工业生产中，搅拌釜的混合性能会直接影响到产品质量、过程经济性、环境污染等问题。对于搅拌釜的研究开始较早，但由于其涉及的因素极为复杂，对其的认识尚不深入。尤其对于工业中常见的三相搅拌体系，因其同时存在着均相混合、气液分散、固液悬浮三方面的问题，已有的研究结果还不系统和成熟，严重地束缚了对搅拌釜的设计和操作优化。
　　 乙烯淤浆聚合工艺（CX工艺）装置的扩能与放大即为一例。CX工艺使用气液固三相搅拌釜作为反应器，由于聚合反应过程与搅拌釜多相流动极其复杂，在聚合釜的放大研究过程中遇到了四大难题，即搅拌桨轴向混合性能不佳、浆液外循环技术理论基础缺乏、聚合釜顶浆液夹带现象严重、聚合釜热质传递及操作特性研究不足。对此四大难题的研究将极具科学意义和工程意义。
　　 本论文针对CX工艺的溢流式多层桨搅拌釜，采用声发射检测技术、计算流体力学(CFD)数值模拟方法为主要研究手段，辅以希尔伯特-黄变换(HHT)信号分析方法、以期揭示四大难题的理论本质，进而提出相应的工程解决方案。论文对搅拌釜流场、外循环的三相混合效果、浆液夹带发生机理、搅拌釜的热质传递过程等方面做了深入的理论研究，建立了以声发射技术结合HHT分析的新型检测方法和多个过程参数预测模型，提出了一系列聚合装置的优化改造方案，研究结果对工业搅拌釜反应器的操作及设计均具有重要的指导意义。论文主要开展了以下五方面的研究工作:
　　 1.借助Fluent软件进行多层桨搅拌釜内均相流场模拟，研究乙烯淤浆聚合搅拌釜反应器各层桨叶及其相关内件的作用，从而分析现有搅拌桨的优劣。进一步，针对现有搅拌桨的不足，借助CFD模拟对其进行优化设计，提出一种新型的组合式多层搅拌桨。
　　 1)利用CFD进行CX工艺聚合釜内流场模拟，深入认识原有搅拌桨各部分的作用及其不足。发现原有搅拌桨存在着轴向混合不足、分区严重、圆盘上方混合较弱等缺点，因而尝试对其进行优化改造。
　　 2)利用CFD对搅拌桨进行优化。将上层桨叶的圆盘直径增大，并确定增大两个叶片长为最佳条件。上层桨叶圆盘增大后圆盘下方轴向混合得到强化，气体停留时间更长。
　　 3)将中层桨叶改为45°斜叶圆盘涡轮，并确定上流式涡轮为最佳选择。中层桨叶优化后釜中间区域轴向混合加强，分区得到很大程度减弱。
　　 4)在顶部添加一个45°上流式斜叶涡轮，其桨径与中层桨叶一致。顶部桨改善了搅拌釜上部区域的混合效果，并有调整流型及控制浆液夹带的作用。
　　 2.通过冷模实验研究外循环对于多相搅拌釜内均相混合、气液分散、固液悬浮三方面的影响，揭示外循环的流体混合作用。在此基础上，提出外循环优化设计的相关依据，并借助CFD模拟进行外循环技术的优化设计，在保证外循环撤热能力的基础上，优化其多相流体混合行为。
　　 1)外循环流量影响了全釜混合效果，一定程度的外循环能够增强釜内轴向混合，从而降低全釜混合时间;过大流量的外循环会对原有的多个小循环的良好流场造成破坏，从而不利于混合，增大了混合时间。外循环的流速影响了局部混合效果。外循环流速越大，其对入射口附近的流场冲击越大，这种冲击甚至可能影响到全釜的流型。
　　 2)建立了声发射技术结合HHT分析的搅拌釜临界分散转速的测量技术，并利用该技术测量不同外循环流量下的搅拌釜临界分散转速。结果发现，代表搅拌釜气液分散性能的临界分散转速随外循环流量的增加而变大，即外循环越大气液分散状况越差。其主要原因为，外循环增大了釜内的轴向流动而减弱了径向流动，而搅拌釜内气体的分散更多地依靠径向流动。因此，外循环对气液分散是不利的。
　　 3)建立了声发射技术结合HHT分析的搅拌釜临界悬浮转速的测量技术，并利用该技术测量不同外循环流量下的搅拌釜临界悬浮转速。结果发现，代表搅拌釜固液悬浮性能的临界悬浮转速随外循环流量的增加而变小，即外循环越大固液悬浮效果越好。其主要原因为，外循环增大了釜内的轴向流动而减弱了径向流动，而搅拌釜内固体的悬浮更多地依靠轴向流动。因此，外循环对固液悬浮是有利的。
　　 4)从外循环入射流速及流量、注入高度、入射角度三个方面对CX工艺聚合釜的外循环技术进行优化，提出相应的优化标准。具体来说，外循环流量应满足对气液分散影响不大于20％、撤热能力增加至少20％两个条件，从而确定最佳的外循环流量为400 m3·h-1至600 m3·h-1，优选580 m3·h-1;外循环流速应满足不造成外循环管道内固体沉积和粘壁现象、对流场局部冲击尽可能小两个条件，从而确定最佳的外循环流速为4m·s-1～9m·s-1，优选为6 m·s-1;外循环注入高度应满足轴向流量尽可能小、周向流量尽可能大、径向流量指向搅拌轴三个条件，从而确定最佳的外循环注入高度为1.9 m～2.3 m，优选2.05 m;外循环角度应满足尽可能使水平流动转化为垂直方向的轴向流动这一条件，从而确定最佳的外循环入射角度为45°～60°，优选60°。
　　 3.利用声发射检测技术和多相流动理论对CX工艺中聚合釜的浆液夹带现象进行检测与理论建模。一方面，建立实验室冷模装置，并利用声发射技术实现雾沫夹带量的定量检测，并将该技术应用于工业聚合装置，实时在线地检测浆液夹带量，为装置的优化控制提供技术保证。另一方面，基于多相流动理论建立浆液夹带的理论模型，并在此理论模型的基础上提出装置的改进建议，以期有效控制浆液夹带现象，实现装置的长周期稳定运行。
　　 1)利用声发射技术，辅以HHT分析方法，对冷模实验装置及工业聚合釜进行雾沫（浆液）夹带量的在线检测，以期建立雾沫（浆液）夹带量的声发射预测模型。首先，进行水平管道气液两相流的雾沫夹带量的定量检测实验，得到了雾沫夹带量的声发射预测模型，其平均相对误差为10.3％，初步证明了声发射检测雾沫夹带量的可行性。其次，利用实验室搅拌釜冷模装置得到了雾沫夹带量与通气速率的经验关联式，并进一步验证了声发射检测技术的可行性。最后，将声发射检测技术成功用于工业聚合装置，关联得到的较为准确的结果。由此，我们得到了一种雾沫（浆液）夹带量的实时在线检测方法。
　　 2)对搅拌釜内浆液进行拟液相处理，从气液两相流动理论及气液搅拌混合理论出发，建立了搅拌釜内浆液夹带的理论模型。该理论模型分为液面夹带机理及液面以上空间夹带机理两部分。
　　 3)以得到的搅拌釜内浆液夹带理论模型为基础，提出了两种减少浆液夹带的聚合装置优化方案，即使用新型搅拌桨的聚合釜（桨型优化）和带扩大段的聚合釜（釜型优化）。
　　 4.深入研究生产负荷变化过程中乙烯淤浆聚合反应器的操作性能。考察生产负荷对聚合反应重要参数（如浆液浓度、停留时间、聚合得率等）的影响，分析负荷变化过程中聚合釜的撤热情况，研究气液分散传质性能随负荷的变化情况。
　　 1)对生产负荷从6.5 t·h-1提高到7.5 t·h-1的过程作详细分析。通过计算发现关键操作参数随负荷升高有着显著的变化。负荷升高以后浆液浓度显著增大，在7.5 t·h-1的生产负荷下已经超过了设计值。催化剂停留时间显著减小，同时也导致催化剂得率变低、产品的灰分增大。另外，负荷提高后循环气流量大大增加，一方面釜顶换热器负荷吃紧，另一方面浆液的夹带将会愈加严重，因而装置的长周期运行受到影响。
　　 2)进行热量衡算分析，结果表明负荷升高后装置的总撤热能力略显不足，釜顶换热器基本已满负荷是其主要因素。
　　 3)通过气液传质分析，发现负荷升高后搅拌釜中气液传质情况有所恶化，主要体现在临界分散转速升高、平均气泡直径增大、比界面积和传质系数下降。
　　 5.利用几何相似放大和非几何相似放大两种方法进行年产30万吨HDPE聚合釜的放大设计。
　　 1)利用几何相似放大方法进行聚合釜放大设计，得到直径5.2 m、总高7.96m、体积为150 m3的聚合釜，其结构与原聚合釜完全一致。
　　 2)选用新型的带有扩大段的聚合釜进行非几何放大，以夹带区表观气速一致、浆液区高径比调整至1.3为放大准则进行聚合釜结构设计。设计得到的聚合釜夹带区釜径5.2 m，浆液区釜径4.48 m，总高8.45 m，总体积127 m3。
　　 3)将新型聚合釜与几何相似放大所得聚合釜相比，发现其可以节约空间和制造、运输成本，并且有更好的混合效果、撤热能力和控制浆液夹带的能力。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 本研究的主要工作

第二章 文献综述

2．1 淤浆法乙烯聚合工艺(CX工艺)

2．1．1 CX工艺流程

2．1．2 淤浆聚合搅拌釜

2．1．3 浆液外循环技术

2．1．4 CX工艺生产及研究现状

2．2 搅拌混合理论

2．2．1 搅拌桨型式

2．2．2 均相混合

2．2．3 气液分散

2．2．4 固液悬浮

2．2．5 三相搅拌

2．3 计算流体力学(CFD)

2．3．1 CFD方法简介

2．3．2 CFD模拟软件简介

2．3．3 网格类型及生成方法概述

2．3．4 湍流模拟方法

2．3．5 CFD在搅拌釜中的应用及发展趋势

2．4 声发射技术

2．4．1 声发射技术发展简述

2．4．2 声发射技术在化学工业中的应用

2．4．3 声发射信号的分析

2．5 希尔伯特-黄变换(HHT)

2．5．1 HHT简介

2．5．2 HHT的应用

2．6 课题的提出

符号说明

参考文献

第三章 实验装置及方法

3．1 实验装置

3．1．1 搅拌釜冷模实验装置ST-1

3．1．2 搅拌釜冷模实验装置ST-2

3．1．3 水平管道雾沫夹带检测实验装置

3．1．4 声发射检测装置

3．2 声发射检测方法

3．2．1 临界分散转速的声发射检测

3．2．2 临界悬浮转速的声发射检测

3．2．3 管道雾沫夹带的声发射检测

3．2．4 搅拌釜顶部雾沫夹带的声发射检测

3．3 HHT信号分析方法

3．3．1 信号的经验模态分解

3．3．2 Hilbert谱分析

3．3．3 边际谱分析

3．3．4 信号重构

3．4 CFD数值模拟方法

3．4．1 利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型

3．4．2 利用Fluent进行求解

3．4．3 计算结果的后处理

3．5 本章小结

符号说明

参考文献

第四章 CFD数值模拟辅助搅拌桨优化设计

4．1 CX工艺聚合釜搅拌桨概述

4．1．1 上层桨叶的作用

4．1．2 中层桨叶的作用

4．1．3 下层桨叶的作用

4．2 上层桨叶优化

4．2．1 流场分析

4．2．2 功率和排量分析

4．2．3 轴向循环分析

4．3 中层桨叶优化

4．3．1 流场分析

4．3．2 功率与排量

4．3．3 轴向循环分析

4．4 搅拌桨顶部优化

4．4．1 流场分析

4．4．2 功率和排量

4．4．3 轴向循环分析

4．5 新型组合式搅拌桨

4．6 本章小结

符号说明

参考文献

第五章 浆液外循环的混合性能研究与优化

5．1 浆液外循环技术概述

5．1．1 扬子石化浆液外循环技术

5．1．2 浆液外循环技术研究现状

5．2 外循环对搅拌釜均相混合的影响

5．2．1 外循环对流场的影响

5．2．2 外循环对混合时间的影响

5．3 声发射技术研究外循环对搅拌釜气液分散的影响

5．3．1 声信号的获得

5．3．2 声信号的HHT分析

5．3．3 临界分散转速的测定

5．3．4 声信号的小波分析方法

5．3．5 外循环对临界分散转速的影响

5．4 声发射技术研究外循环对搅拌釜固液悬浮的影响

5．4．1 声信号的获得

5．4．2 声信号的HHT分析

5．4．3 临界悬浮转速的测定

5．4．4 声信号的小波分析方法

5．4．5 外循环对临界悬浮转速的影响

5．5 浆液外循环的优化设计

5．5．1 浆液外循环流量、流速的优化

5．5．2 浆液外循环注入高度的优化

5．5．3 浆液井循环入射角度的优化

5．6 本章小结

符号说明

参考文献

第六章 聚合釜浆液夹带的检测及装置优化

6．1 管道雾沫夹带的定量检测

6．1．1 雾沫夹带量声预测模型

6．1．2 声发射信号的HHT分析

6．1．3 气体流量和液体流量对声发射信号的影响

6．1．4 雾沫夹带量声预测模型的回归验证

6．2 搅拌釜顶部雾沫夹带定量检测实验

6．2．1 雾沫夹带量与通气速率的关系

6．2．2 声发射检测搅拌釜顶部雾沫夹带量

6．3 工业装置浆液夹带的声发射检测

6．3．1 实验过程及方法

6．3．2 实验结果与讨论

6．4 聚合釜浆液夹带理论模型

6．4．1 模型假设

6．4．2 液面夹带机理

6．4．3 液面以上空间的夹带

6．5 减少浆液夹带的方法探讨

6．5．1 桨型优化

6．5．2 釜型优化

6．6 本章小结

符号说明

参考文献

第七章 工业聚合装置热质传递的工程分析

7．1 负荷变化过程简介

7．2 聚合反应过程参数计算及分析方法

7．2．1 重要操作参数计算方法

7．2．2 聚合釜热量衡算分析

7．2．3 聚合釜气液分散传质性能分析

7．3 负荷变化过程简述及其聚合条件控制

7．4 负荷变化过程重要操作参数分析

7．5 负荷变化过程聚合釜热量街算分析

7．6 负荷变化过程聚合釜气液传质性能分析

7．7 本章小结

符号说明

参考文献

第八章 年产30万吨淤浆法HDPE聚合釜的概念设计

8．1 几何相似放大

8．1．1 设计条件

8．1．2 聚合釜体积计算

8．1．3 聚合釜结构设计

8．1．4 搅拌桨及附属内件设计

8．2 非几何相似放大

8．2．1 聚合釜结构尺寸设计

8．2．2 搅拌桨结构尺寸设计

8．3 本章小结

符号说明

参考文献

第九章 总结与展望

9．1 总结

9．2 展望

作者简介