液相催化加氫釜攪拌改造設(shè)計(jì)的 CFD 研究

王爐鋼 湯利亞 趙建明

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司，杭州 310012）

液相催化加氫釜攪拌改造設(shè)計(jì)的 CFD 研究

王爐鋼 湯利亞 趙建明

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司，杭州 310012）

對液相催化加氫過程進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬計(jì)算，研究了DT 601葉輪在不同攪拌轉(zhuǎn)速下的吸氣速率和攪拌功耗。結(jié)果表明DT 601葉輪的吸氣能力隨攪拌轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)，還存在一個(gè)最小轉(zhuǎn)速，低于此轉(zhuǎn)速則失去吸氣能力；攪拌功耗隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大，在研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，近似成線性關(guān)系。結(jié)合改造前的攪拌配置，確定了改造后的電機(jī)功率和攪拌轉(zhuǎn)速。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，改造后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均有改善，改造獲得了成功。

液相催化加氫；CFD；攪拌；吸氣速率；功耗

液相催化加氫技術(shù)已經(jīng)在有機(jī)化工行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，例如硝基化合物加氫、羰基化合物加氫、高級脂肪酸及酯加氫和脂肪氰加氫等[1]。液相催化加氫反應(yīng)體系通常包含原料、溶劑、氫氣和催化劑等，多數(shù)情況下形成一個(gè)氣-液-固三相體系，傳質(zhì)過程較復(fù)雜[2]。針對這一過程的攪拌設(shè)計(jì)中，需要同時(shí)關(guān)注固-液傳質(zhì)效率和氣-液傳質(zhì)效率。

某液相催化加氫釜，改造前攪拌采用推進(jìn)式葉輪（SP 306）；采用氣體分布器將氫氣通入釜內(nèi)。SP 306葉輪外觀見圖1 (a)，它是一類高效的軸流型葉輪，在相同的攪拌功耗下，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈的軸向循環(huán)流動，對于催化劑的充分懸浮是有利的。但是這類葉輪的剪切能力弱，對于反應(yīng)物料在催化劑內(nèi)部的擴(kuò)散以及氣泡的破碎是不利的。通入釜內(nèi)的氫氣，部分溶解在液相中參與了反應(yīng)，未溶解的部分則穿過液相，排出加氫釜外。因此，該加氫釜的固-液、氣-液傳質(zhì)效率均不高。工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果也表明，該加氫釜產(chǎn)品收率偏低，催化劑用量偏大，以及氫氣消耗量過大。

改造的思路是：選擇剪切能力強(qiáng)的葉輪，使旋轉(zhuǎn)的葉輪能夠自行吸入加氫釜上部空間的氫氣，在氫化釜內(nèi)反復(fù)循環(huán)，并被葉輪打碎成細(xì)小的氣泡。這樣可以大大提高固-液相和氣-液相的傳質(zhì)效率。改造方案在具體實(shí)施上，把SP 306葉輪改為四直葉圓盤渦輪葉輪（DT 601），DT 601葉輪外觀見圖1 (b)，它是一類典型的徑流型葉輪，剪切能力強(qiáng)；把攪拌軸的下軸改為空心并且在上端（高于液位）與末端開孔，以期實(shí)現(xiàn)自行吸入氫氣。本次改造無需重點(diǎn)考慮催化劑的懸浮，因其粒徑很細(xì)，密度也相對較小，很容易實(shí)現(xiàn)充分懸浮，這已在冷模試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了證實(shí)。

隨著CFD技術(shù)的迅速發(fā)展，通過CFD模擬的方法可以獲取不同過程流體的速度場、濃度場和溫度場等詳細(xì)信息，很大程度上彌補(bǔ)了測試手段的不足，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。CFD模擬結(jié)果直觀，可以節(jié)約時(shí)間和成本，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[3,4]。本文擬采用CFD模擬的方法指導(dǎo)加氫釜攪拌的改造設(shè)計(jì)。

圖1 改造前后葉輪外觀Fig.1 Agitators before and after reconstruction

1 加氫釜參數(shù)

加氫釜示意圖見圖2。加氫釜內(nèi)徑D=1 500 mm，液深H=1 450 mm；葉輪直徑d=600 mm，位于液面以下h=1 000 mm；擋板4塊均布，長度L=1 100mm，寬度w=140 mm，離釜壁間隙c=40 mm；空心軸內(nèi)徑b=30 mm。攪拌配備的電機(jī)功率為18.5 kW，攪拌轉(zhuǎn)速為210 r/min。

液相密度950 kg/m3，黏度0.01 Pa·S。催化劑密度2 710 kg/m3，平均粒徑0.75 mm。氫氣理論消耗量為8.2 kg/批。

圖2 加氫釜尺寸參數(shù)示意圖Fig.2 Parameters of the reactor

2 CFD模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

采用歐拉-歐拉雙流體模型[5,6]來模擬氣液兩相流，模型基本方程包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，因不考慮溫度變化，故不包括能量守恒方程。假設(shè)氣相為不可壓縮、大小均勻的球形，不考慮氣泡的凝并和破碎，也不考慮兩相間的質(zhì)量和能量傳遞。在保證計(jì)算精度的前提下，相間作用力僅考慮曳力。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型封閉守恒方程。

邊界條件的設(shè)定。設(shè)定氣相入口為壓力進(jìn)口，出口為壓力出口。反應(yīng)釜內(nèi)壁、擋板、攪拌軸和攪拌器等均選用壁面邊界條件，其中反應(yīng)釜內(nèi)壁和擋板定義為靜止壁面條件，攪拌器和攪拌軸定義為運(yùn)動壁面條件且相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的運(yùn)動速度為零。

2.2 計(jì)算方法

采用有限體積法離散守恒方程，將偏微分方程格式的守恒方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，離散采用二階迎風(fēng)差分格式。壓力和速度間的耦合采用SIMPLE算法。采用多重參考系法（MRF）來處理運(yùn)動的槳葉和靜止的槽壁之間的相互作用。

本加氫釜在整個(gè)計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)均采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散。為保證計(jì)算精度，對槳葉和攪拌軸區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。為考察計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，對攪拌轉(zhuǎn)速為210 r/min的工況，劃分網(wǎng)格總數(shù)分別為1 168 786和1 592 183時(shí)的吸氣量和攪拌功耗進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，計(jì)算出的吸氣量和攪拌功耗變化幅度小于3 %。結(jié)合計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，確定采用1.2×106左右的網(wǎng)格數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸氣原理分析

當(dāng)葉輪以較高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會使周圍局部區(qū)域的液體動能增加而壓力能減少，從而形成負(fù)壓區(qū)。從DT 601葉輪的流型來看，其典型流型是液體以較高速度從葉輪排出，以葉輪為界形成上、下兩個(gè)流動循環(huán)。其中下循環(huán)受到了釜底形狀的影響，形成了空位狀態(tài)，則會加強(qiáng)負(fù)壓程度。在進(jìn)氣口處與葉輪下方的壓差推動下，液面上方的氣體由空心軸上端開孔處自行吸入，沿空心軸向下，并由末端開孔處排出。圖3是攪拌轉(zhuǎn)速為210 r/min時(shí)的壓力云圖。由圖3可見，在葉輪的正下方有一個(gè)顯著的負(fù)壓區(qū)。

圖3 攪拌轉(zhuǎn)速為210 r/min時(shí)的壓力云圖Fig.3 Contours of pressure under the rotation speed of 210 r/min

3.2 吸氣速率和攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系

（2）開設(shè)專業(yè)英語課程時(shí)機(jī)的愿望。在希望開設(shè)課程的學(xué)生中，有586人（36.3%）認(rèn)為大一開設(shè)合適，647人（40.2%）認(rèn)為大二開設(shè)合適，299人（18.6%）認(rèn)為大三開設(shè)合適，53人（3.3%）認(rèn)為大四開設(shè)合適，26人（1.6%）認(rèn)為大五及以后開設(shè)合適。

吸氣速率和攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖4。圖中可見，攪拌轉(zhuǎn)速越高，吸氣能力越強(qiáng)。圖中還可見，存在一個(gè)最小轉(zhuǎn)速，當(dāng)?shù)陀诖宿D(zhuǎn)速時(shí)，吸氣能力為零。這是因?yàn)闅錃庖孕形爰託涓枰朔~輪處與液面處之間的靜液柱壓力，以及出氣口處的阻力。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，空心攪拌軸中的氣液界面將逐漸下降，直到氫氣從末端開孔處排出。

應(yīng)當(dāng)注意的是，吸氣能力并非越強(qiáng)越好。一方面吸氣能力強(qiáng)意味著攪拌轉(zhuǎn)速高，即攪拌功耗大。另一方面，當(dāng)吸入的氣量過大時(shí)會形成氣穴，甚至葉輪被大團(tuán)的氣體所包裹，嚴(yán)重影響氣-液傳質(zhì)效率。

圖4 吸氣速率和攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.4 Relationship between spiratory speed and rotation speed

3.3 攪拌功耗和攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系

攪拌功耗可以通過下式求得

式中 P—攪拌功耗，W；

N—攪拌轉(zhuǎn)速，rad/s；

M—扭矩，N·m。

通過CFD模擬計(jì)算可以得到葉輪的扭矩值，從而由式（1）計(jì)算得到攪拌功耗。

圖5 攪拌功耗和攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.5 Relationship between power consumption and rotation speed

4 工業(yè)應(yīng)用

基于CFD模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合改造前的攪拌配置，確定電機(jī)功率為18.5 kW，攪拌轉(zhuǎn)速為210 r/min。這樣原攪拌系統(tǒng)中電機(jī)、減速機(jī)等均可利用，只需更換攪拌軸下軸及葉輪。將改造之后的攪拌方案進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。改造前后各選取三個(gè)批次的加氫反應(yīng)作對比，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)情況見表1。表中可見，在反應(yīng)時(shí)間相同的前提下，改造后催化劑用量減少，產(chǎn)品收率提高，氫氣消耗量更是顯著減少，從而大大提升了經(jīng)濟(jì)效益。

表1 改造前后的技術(shù)指標(biāo)對比Tab.1 Technical parameters before and after reconstruction

5 結(jié)束語

（1）本次改造用剪切型葉輪替代循環(huán)型葉輪，以促進(jìn)反應(yīng)物料在催化劑內(nèi)部的擴(kuò)散以及氣泡的破碎。

（2）本次改造將攪拌器改造成具有自行吸入氫氣的能力，大大提高了氣-液傳質(zhì)效率。DT 601葉輪的吸氣能力隨攪拌轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)；存在一個(gè)最小轉(zhuǎn)速，低于此轉(zhuǎn)速則失去吸氣能力。

（3）攪拌功耗隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大，在本文研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，近似成線性關(guān)系。

（4）設(shè)計(jì)液相催化加氫過程的攪拌，需要同時(shí)關(guān)注固-液傳質(zhì)效率和氣-液傳質(zhì)效率。以此為指導(dǎo)思想對原攪拌器進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，改造后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均有改善，改造獲得了成功。

[1]張超林.硝基苯液相催化加氫制苯胺技術(shù)進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2007，12：11-14.

[2]王春云，李明東.加氫操作反應(yīng)機(jī)理及裝置功能特性[J].化肥設(shè)計(jì)，2008，46(6)：11-15.

[3]王偉.折葉渦輪槳攪拌器流型及溫度分布數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2011，38(5)：597-599.

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《化工與醫(yī)藥工程》征稿啟示

《化工與醫(yī)藥工程》（CN31－2101/TQ）（原《醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)》）創(chuàng)刊于1980年，是經(jīng)國家科技部、國家新聞出版廣播電影電視總局正式批準(zhǔn)，面向國內(nèi)外公開發(fā)行的專業(yè)技術(shù)期刊。由中國石油化工集團(tuán)公司主管，中石化上海工程有限公司主辦。本刊征稿的具體范圍為：

化工工藝與工程化工工藝、工藝系統(tǒng)及過程控制的研究、開發(fā)與設(shè)計(jì)；工廠設(shè)計(jì)與優(yōu)化（包括設(shè)備與裝置布置、配管工程與土建工程）

醫(yī)藥工藝與工程醫(yī)藥工藝、工藝系統(tǒng)及過程控制的研究、開發(fā)與設(shè)計(jì)；工廠設(shè)計(jì)與優(yōu)化（包括設(shè)備與裝置布置、配管工程與土建工程以及潔凈廠房的GMP認(rèn)證）

裝備應(yīng)用與研究裝備（包括機(jī)械、設(shè)備、儀表及控制系統(tǒng)、電氣等）技術(shù)應(yīng)用與研究

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CFD Study of Reconstruction of Agitating System for Liquid Phase Catalytic Hydrogenation Vessel

Wang Lugang, Tong Liya, Zhao Jianming
（Hangzhou Yuanzheng Chemical Engineering Technology and Equipment Co., Ltd.Hangzhou, 310012）

By using computational fluid dynamics (CFD), the catalytic hydrogenation process in liquid phase was simulated.The inspiration rate and the power consumption of the agitator DT 601 were studied under different rotation speed.The results showed that the inspiration capacity of DT 601 would increase with the increase of the rotation speed.A minimum rotation speed existed, under which the inspiration capacity disappeared.The power consumption would also increase with the increase of the rotation speed, and both of them have approximate linear relation with rotary speed.Taking account of the former agitation configuration, the motor power and the rotation speed were determined.It has been shown from industrial application that various technical parameters were found to be improved after the reform.That meant the technical reconstruction was successful.

catalytic hydrogenation in liquid phase； CFD； agitation； inspiration speed； power consumption

TQ 051.7

：A

：2095-817X（2015）02-0001-004

2015-02-09

王爐鋼（1979—），男，工程師，從事化工工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)。