環(huán)管反應器內(nèi)非均勻流動特性的CFD模擬研究.pdf

1、環(huán)管反應器由于結(jié)構(gòu)簡單、撤熱快，被廣泛應用于聚丙烯工業(yè)。然而在環(huán)管反應器中非均勻流動結(jié)構(gòu)會增加裝置的單位操作能耗，嚴重時甚至阻礙裝置的正常、高效運轉(zhuǎn)，研究非均勻流動結(jié)構(gòu)的形成機制并提出改進措施，對工業(yè)裝置的正常、平穩(wěn)、高效運轉(zhuǎn)具有重要意義。本文以工業(yè)規(guī)模和中試規(guī)模的環(huán)管反應器為研究對象，運用計算流體力學（CFD）的研究方法，建立了環(huán)管反應器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)三維模型，研究了環(huán)管反應器內(nèi)的非均勻流動結(jié)構(gòu)及其影響因素，并基于此提出了減弱非均勻流動

2、的措施。主要內(nèi)容和成果包括:
　　(1)以工業(yè)級環(huán)管反應器為研究對象，采用CFD進行穩(wěn)態(tài)模擬，研究了工業(yè)環(huán)管反應器結(jié)構(gòu)（直管段高度和直管段數(shù)量）及操作參數(shù)（速度、顆粒粒徑、濃度）對反應器內(nèi)非均勻結(jié)構(gòu)的影響。模擬發(fā)現(xiàn):直管段數(shù)量為2的環(huán)管反應器，當直管段高徑比超過43時，出口截面上顆粒分布的非均勻度不隨高徑比的增加而變化;直管段數(shù)量為4的環(huán)管反應器，直管段高徑比越大，出口截面上顆粒分布越均勻。恒定直管段高徑比為65，直管段數(shù)量越多，

3、出口截面上顆粒分布越均勻;與直管段數(shù)量相比，直管段長度（高徑比）對環(huán)管反應器出口處非均勻度的影響更顯著。流速在7-13 m/s范圍內(nèi)，流速對非均勻度的影響較小;而降低流速至4 m/s，雖能降低出口的非均勻性，卻不利于裝置的穩(wěn)定運行。粒徑越大，固相體積分數(shù)波動越大，出口處的非均勻度越大。進口濃度越高，環(huán)管整體的非均勻度越小，出口處均勻性越好。
　　(2)以4條腿的工業(yè)級環(huán)管反應器為研究對象，采用CFD模擬研究了真實物系下環(huán)管反應器內(nèi)

4、雙分散顆粒的流場情況，考察了不同顆粒組成對環(huán)管反應器內(nèi)非均勻度的影響，并通過分析不同組成下管內(nèi)顆粒的濃度、速度分布，揭示了顆粒粒徑及分布對流動均勻性的作用機制，結(jié)果表明:大顆粒含量越高，環(huán)管軸向的非均勻度越大，顆粒分布越不均勻，越易形成厚的顆粒帶并在直管中做螺旋運動，形成“環(huán)核型”濃度分布;顆粒帶在螺旋運動中不斷發(fā)展至均勻，但大顆粒含量越高，彎管內(nèi)外側(cè)的速度差越大，周向旋轉(zhuǎn)能力越弱，越不易發(fā)展均勻?；谏鲜鼋Y(jié)論提出雙分散顆粒的作用機制為

5、大顆粒對流動均勻度的抑制作用，其表現(xiàn)在彎管處大顆粒對顆粒帶形成的促進作用和直管中大顆粒對顆粒帶消散的抑制作用。
　　(3)以小尺寸的環(huán)管反應器為研究對象，采用CFD模擬了不含帶連接、含無進口帶連接及含進口帶連接這三種具有不同結(jié)構(gòu)的環(huán)管反應器，研究了帶連接對環(huán)管反應器內(nèi)局部均勻性的影響，并基于此提出了帶連接的影響機制。結(jié)果表明:帶連接的加入會使所在環(huán)管處的非均勻度出現(xiàn)波動，使進口管的非均勻度急劇增大，出口管帶連接附近區(qū)域的非均勻度出

6、現(xiàn)波動，帶連接對進口管的影響大于出口管。帶連接對環(huán)管內(nèi)液固兩相的作用機制為進口管處的分流作用及出口管處的集流作用。進口管管壁處的漿液在分流作用下不斷進入帶連接，使進口管帶連接附近的液固兩相從均勻分布變?yōu)檫叡谙?、中心濃的分?而進入帶連接的低濃漿液又會在出口管進入環(huán)管與主流體匯集并向下流動，使得出口管帶連接附近的液固兩相分布也從邊壁濃、中心稀的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫叡谙?、中心濃的結(jié)構(gòu)。
　　(4)采用CFD對小尺寸的環(huán)管反應器進行動態(tài)模擬，提

7、取、分析了不同粒徑穩(wěn)定狀態(tài)下出口顆粒濃度與非均勻度隨時間的變化規(guī)律;并以環(huán)管反應器不同位置的固相體積分數(shù)信號為例，通過頻譜、能譜等分析，從時域、頻域?qū)用孢M一步理解環(huán)管反應器內(nèi)的非均勻流動特性。結(jié)果表明:不同粒徑下，環(huán)管反應器出口非均勻度和顆粒濃度均隨著時間在某一穩(wěn)定值附近波動，而顆粒粒徑越大，非均勻度與顆粒濃度的波動幅度及頻率也越大，越易引起軸流泵功率的波動;頻譜及能譜分析發(fā)現(xiàn)，彎管后顆粒團聚物的形成會導致反應器內(nèi)固相體積分數(shù)新的周期行