環(huán)管反應(yīng)器的研究進展及應(yīng)用

田冰虎，王修綱，王翠華，吳劍華,

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環(huán)管反應(yīng)器的研究進展及應(yīng)用

田冰虎1，王修綱2，王翠華3，吳劍華2,3

（1. 沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142； 2. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；3. 沈陽化工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

論述了環(huán)管反應(yīng)器的最新研究進展及其應(yīng)用領(lǐng)域。介紹了環(huán)管反應(yīng)器在停留時間分布、CFD流場、傳熱等方面的研究進展，同時介紹了環(huán)管反應(yīng)器在聚烯烴領(lǐng)域及其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并對以后的研究工作進行展望。

環(huán)管反應(yīng)器；停留時間分布；計算流體力學(xué)；傳熱

環(huán)管反應(yīng)器是一種封閉的環(huán)狀管式反應(yīng)器，由閉合環(huán)形管路、循環(huán)泵以及反應(yīng)器的進出口組成。反應(yīng)物料在環(huán)管中循環(huán)流動，在流動過程中實現(xiàn)傳質(zhì)傳熱。環(huán)管反應(yīng)器與攪拌釜相比，有著結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高、流場分布均勻、易于工程放大、易于實現(xiàn)自動控制、易于實現(xiàn)連續(xù)化操作等優(yōu)點，在很多場合是攪拌釜式反應(yīng)器理想替代物。因此，研究學(xué)者對環(huán)管反應(yīng)器進行了種種研究，開發(fā)了它的各種應(yīng)用領(lǐng)域。

1 環(huán)管反應(yīng)器相關(guān)研究進展

1.1 環(huán)管反應(yīng)器停留時間分布研究進展

宏觀混合狀況即反應(yīng)器返混程度對反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率和收率決定性的影響，是反應(yīng)器設(shè)計和操作時的關(guān)鍵因素。停留時間分布(Residence time distribution，RTD）正是研究反應(yīng)器宏觀混合狀況的有力工具。

在過去的50多年，環(huán)管反應(yīng)器停留時間分布的數(shù)學(xué)建模一直在進步和發(fā)展（表1），石炎福[1]基于理想全混流、平推流假設(shè)，利用連續(xù)概率密度函數(shù)預(yù)算規(guī)則，建立了外循環(huán)反應(yīng)器的停留時間分布數(shù)學(xué)模型，模型包含并借助計算機獲得了循環(huán)反應(yīng)器簡化的停留時間分布曲線。羅和安等[2]忽略管路中的返混和循環(huán)泵的影響，采用平推流模型對環(huán)管反應(yīng)器停留時間分布進行數(shù)學(xué)建模，獲得停留時間分布密度函數(shù)、平均停留時間、無因次方差的解析式。

表1 環(huán)管反應(yīng)器停留時間模型發(fā)展

? n為循環(huán)次數(shù) ? 0，1，2，p 為反應(yīng)器第部分與反應(yīng)器總體積之比

Mathur等[3]首次采用軸向擴散模型對連續(xù)流動環(huán)管反應(yīng)器進行了數(shù)學(xué)建模，建立了以循環(huán)比（）和Peclet數(shù)（）為參數(shù)的停留時間分布數(shù)學(xué)表達式。Warnecke等[4, 5]將內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器分為上升段和下降段來考慮，討論了參數(shù)估計的相關(guān)方法，分析了由于循環(huán)引起的濃度分布變化。Kersting等[6]考慮了反應(yīng)器進口的影響，并用獨立的CSTR對進口進行了描述。Melo等[7]描述了環(huán)管反應(yīng)器的停留時間分布。作者考慮了由循環(huán)泵引起的附加混合，并用CSTR對循環(huán)泵進行了建模。其模型在環(huán)管反應(yīng)器的停留時間分布的表征方面取得了非常高的精度。因此，基于軸向擴散模型對環(huán)管反應(yīng)器的停留時間分布建模方面是目前最有效的方法。

1.2 環(huán)管反應(yīng)器CFD流場研究進展

計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD）流體力學(xué)的一個分支，是將數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)用于求解流體力學(xué)中描述流體運動的各類方程，進而獲得復(fù)雜流場內(nèi)各位置上的基本物理量（如壓力、速度、溫度、濃度等）的分布的科學(xué)。計算流體力學(xué)用數(shù)值實驗（Numerical Experiments）代替盡可能多的物理實驗，并且可以完整的展現(xiàn)所有關(guān)心位置的流場細節(jié)，成為流體力學(xué)有效的研究與設(shè)計工具。由于環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜（包含進出口管路和循環(huán)泵，且計算域較大），利用CFD技術(shù)對環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部流場的研究直到最近十年才出現(xiàn)。較早的研究者們首先模擬了環(huán)管反應(yīng)器的U型管部分，劉永兵等[8, 9]采用顆粒動力學(xué)為基礎(chǔ)的Euler-Euler雙流體模型對環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)液固兩相的流動形態(tài)進行了研究。在漿液流速遠大于自由沉降速度的情況下，模擬了不同漿液入口速度時的環(huán)管反應(yīng)器上升段壓力降。為了得到更加真實全面的流場信息，施徳磐等[10]進一步完善了模型，建立了閉合環(huán)管的CFD模型，采用顆粒動力學(xué)描述固相（顆粒相）黏度與壓力，采用多重坐標系模型描述軸流泵，獲得了閉合環(huán)管內(nèi)液-固兩相的流動行為[11]，并研究了循環(huán)流速、固體顆粒大小、漿液濃度、冷卻水溫度、軸流泵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)等因素的影響[12-14]。

以上的CFD方面的研究已經(jīng)為環(huán)管反應(yīng)器流體力學(xué)行為研究打下了重要的基礎(chǔ)，但仍有一些不足存在，缺乏帶有進出口、大計算域、大長徑比的環(huán)管反應(yīng)器的CFD模擬。

1.3 環(huán)管反應(yīng)器傳熱研究進展

環(huán)管反應(yīng)器具有較大的比傳熱面積，在傳熱過程中具有天然優(yōu)勢。因此，它的傳熱性能也受到密切關(guān)注。

劉永兵等[15]對環(huán)管反應(yīng)器的U型管部分進行了傳熱數(shù)值模擬，環(huán)管反應(yīng)器溫度與物料濃度存在不均勻分布。在上升段，溫度分布呈中心對稱，在彎管段和下降段不再呈中心對稱；隨著漿液入口速度或入口固體顆粒相體積分數(shù)的增加，環(huán)管反應(yīng)器上升直管段，彎管段以及下降直管段溫度降低；在反應(yīng)器內(nèi)相同的釋放熱量情況下，冷卻水溫度越低，對反應(yīng)器內(nèi)物料的冷卻能力就越強。

Gao等[13]對環(huán)管反應(yīng)器的環(huán)管部分進行了傳熱研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)流速的增加，整個反應(yīng)器內(nèi)的溫度降低；隨著漿液濃度的增加，反應(yīng)器內(nèi)溫度升高；反應(yīng)器中心的溫度隨著固體粒子直徑的增加而增加。因此，將環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)全部流動區(qū)域的換熱假設(shè)為全混流是無效的。

張樂忠等[16]應(yīng)用歐拉-歐拉雙流體模型，模擬了環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)液-固兩相二次流現(xiàn)象，并分析了軸流泵對溫度場的影響。結(jié)果表明，環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)了溫度較高的區(qū)域，導(dǎo)致在軸流泵轉(zhuǎn)速低時溫度分布不均勻，隨著軸流泵轉(zhuǎn)速提高，溫度分布變得均勻。

環(huán)管反應(yīng)器雖然具備傳熱方面的優(yōu)勢，但對于熱負荷較大的情況仍顯不足。而對于管式反應(yīng)器的強化傳熱技術(shù)是可期待用于環(huán)管反應(yīng)器的。靜態(tài)混合器在提高混合效率的同時，也具有強化傳熱的效果。可以通過設(shè)置不同類型的靜態(tài)混合元件來實現(xiàn)流體中徑向溫度梯度的減小。

2 環(huán)管反應(yīng)器的應(yīng)用

2.1 聚烯烴領(lǐng)域

環(huán)管反應(yīng)器已經(jīng)成功應(yīng)用于聚丙烯、聚乙烯等聚烯烴領(lǐng)域。以聚丙烯生產(chǎn)工藝為例，丙烯聚合的生產(chǎn)方法主要有溶液法、淤漿法、本體法、氣相法和本體-氣相組合工藝這五大類[17]。其中，氣相法工藝和本體-氣相組合工藝是相對先進的生產(chǎn)工藝，也是目前工業(yè)化中的主要方法。本體-氣相組合工藝的主反應(yīng)器就是環(huán)管反應(yīng)器，代表性的工藝是Lyondell basell 公司的Spheripol工藝[18]。由于環(huán)管反應(yīng)器的獨特優(yōu)勢，使得Spheripol工藝成為最流行的聚丙烯生產(chǎn)工藝[19]。我國在借鑒了Spheripol工藝的核心優(yōu)勢，于1995年成功開發(fā)了國產(chǎn)環(huán)管聚丙烯工藝，并在2002年、2014年兩次對該工藝進行升級，現(xiàn)已形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“第三代環(huán)管聚丙烯成套技術(shù)”[20]。據(jù)統(tǒng)計，全世界聚丙烯產(chǎn)能的44%是采用環(huán)管反應(yīng)器的工藝，在中國這一數(shù)值在更是高達54%。

2.2 其它工業(yè)領(lǐng)域

環(huán)管反應(yīng)器除了在聚烯烴工業(yè)中大量應(yīng)用，還有很多其它方面的應(yīng)用逐漸被開發(fā)出來，其中有相當(dāng)部分的應(yīng)用正在替代傳統(tǒng)反應(yīng)器。Laederach等[21]測試了環(huán)管反應(yīng)器用作生物反應(yīng)器時生物的發(fā)酵增長率，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)管反應(yīng)器在在生物量的產(chǎn)生方面比傳統(tǒng)的攪拌釜高大約40%左右。Dilek 等[22]將環(huán)管反應(yīng)器應(yīng)用在啤酒廠的廢水處理方面，環(huán)管反應(yīng)器中更高的細菌生長速度，更大程度的湍動有利于絲狀細菌的消失和大量污水的處理。Mangold 等[23]將環(huán)管反應(yīng)器應(yīng)用在固定床偶聯(lián)催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，在合適的條件下，環(huán)管反應(yīng)器能通過自動調(diào)節(jié)操作模式來適應(yīng)填料的合成以保證整體的轉(zhuǎn)化率。在生物化學(xué)過程中，環(huán)管反應(yīng)器主要應(yīng)用在細胞培養(yǎng)，發(fā)酵過程、酶和蛋白質(zhì)的合成等方面[24]。Nouri等[25]將環(huán)管反應(yīng)器應(yīng)用在小麥蛋白的酶水解方面，在環(huán)管反應(yīng)器中沒有出現(xiàn)攪拌釜中的大量泡沫導(dǎo)致的混亂現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

隨著對環(huán)管反應(yīng)器研究的不斷深入，基于軸向擴散模型對環(huán)管反應(yīng)器的停留時間分布建模是目前最有效的方法。環(huán)管反應(yīng)器流體力學(xué)的研究已經(jīng)取得了較大進展，但仍有一些不足存在，缺乏帶有進出口、大計算域、大長徑比的環(huán)管反應(yīng)器的CFD模擬。在傳熱方面，強化傳熱技術(shù)可期待用于環(huán)管反應(yīng)器，進一步實現(xiàn)流體中徑向溫度梯度的減小。環(huán)管反應(yīng)器在許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要應(yīng)用，并表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性，期待環(huán)管反應(yīng)器能應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。

［1］石炎福. 外循環(huán)反應(yīng)器停留時間分布的計算 [J]. 化工學(xué)報, 1981, 03): 246-59.

［2］羅和安, 黃良. 循環(huán)反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型理論及其應(yīng)用 [J]. 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 1985（02）: 138-48.

［3］Mathur V K, Weinstein H. Residence time distribution of the TRAM recycle reactor system [J]. Chemical Engineering Science, 1980, 35(6): 1449-52.

［4］Warnecke H J, PruK ss J, Langemann H. On a mathematical model for loop reactors-Ⅰ. Residence time distribution, moments and eigenvalues [J]. Chemical Engineering Science, 1985, 40(12): 2321-6.

［5］Warnecke H J, PruK ss J, Langemann H. On a mathematical model for loop reactors-II. Estimation of parameters [J]. Chemical Engineering Science, 1985, 40(12): 2327-31.

［6］Kersting C H, PruK ss J, Warnecke H J. Residence time distribution of a screw-loop reactor: experiments and modeling[J]. Chemical Engineering Science, 1995, 50(2): 299-308.

［7］Melo P A, Pinto J C, Biscaia E C. Characterization of the residence time distribution in loop reactors [J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56(8): 2703-13.

［8］劉永兵, 陳紀忠, 陽永榮. 環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)液固兩相流的數(shù)值模擬 [J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2007, 05: 790-6.

［9］劉永兵. 環(huán)管反應(yīng)器中液固兩相傳遞特性的研究[D]; 浙江大學(xué), 2006.

［10］施德磐, 鄭祖?zhèn)? 羅正鴻. 循環(huán)流速對環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)液-固二相流動影響的CFD模擬 [J]. 石油學(xué)報(石油加工), 2010, 03: 442-7.

［11］Yan W-C, Luo Z-H, Guo A-Y. Coupling of CFD with PBM for a pilot-plant tubular loop polymerization reactor [J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(21): 5148-63.

［12］Yan W-C, Shi D-P, Luo Z-H, et al. Three-dimensional CFD study of liquid–solid flow behaviors in tubular loop polymerization reactors: The effect of guide vane [J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(18): 4127-37.

［13］Gao X, Shi D-P, Chen X-Z, et al. Three-dimensional CFD model of the temperature field for a pilot-plant tubular loop polymerization reactor [J]. Powder Technology, 2010, 203(3): 574-90.

［14］Shi D-P, Luo Z-H, Zheng Z-W. Numerical simulation of liquid-solid two-phase flow in a tubular loop polymerization reactor [J]. Powder Technol, 2010, 198(Copyright (C) 2013 American Chemical Society (ACS). All Rights Reserved.): 135-43.

［15］劉永兵, 陳紀忠, 陽永榮. 環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2010, 01: 41-6.

［16］張樂忠, 高希, 羅正鴻. 聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)液-固兩相二次流的流體動力學(xué)模擬[J]. 石化技術(shù)與應(yīng)用, 2014, 03: 199-203.

［17］付義, 王鵬, 趙成才, et al. 聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)進展 [J]. 高分子通報, 2012, 4: 139-48.

［18］Zacca J J, Debling J A, Ray W H. Reactor residence-time distribution effects on the multistage polymerization of olefins—II. Polymer properties: bimodal polypropylene and linear low-density polyethylene [J]. Chemical Engineering Science, 1997, 52(12): 1941-67.

［19］Debling J A, Zacca J J, Ray W H. Reactor residence-time distribution effects on the multistage polymerization of olefins—III. Multi-layered products: impact polypropylene [J]. Chemical Engineering Science, 1997, 52(12): 1969-2001.

［20］張力. 第三代環(huán)管聚丙烯成套技術(shù)通過集團公司鑒定[J]. 現(xiàn)代化工, 2014, 34(12): 134.

［21］Laederach H, Widmer F. Le bioréacteur torique [J]. Informations chimie, 1984, 249: 157-60.

［22］Dilek F, Anderson G, Bloor J. Investigation into the microbiology of a high rate jet-loop activated sludge reactor treating brewery wastewater [J]. Water Science and Technology, 1996, 34(5): 107-12.

［23］Mangold M, Kienle A, Gilles E-D, et al. Coupled reaction zones in a circulation loop reactor [J]. Chemical Engineering Science, 1999, 54(13): 2597-607.

［24］Van Sonsbeek H, Van Der Tuin S, Tramper J. Mixing in liquid‐impelled loop reactors [J]. Biotechnology and bioengineering, 1992, 39(7): 707-16.

［25］Nouri L, Legrand J, Popineau Y, et al. Enzymatic hydrolysis of wheat proteins Part 2: comparison of performance of batch-stirred and torus reactors [J]. Chemical Engineering Journal, 1997, 65(3): 195-9.

Research Progress and Application of Loop Reactors

1,2,3,2,3

（1. School of Chemical Engineering，Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China 2. School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. School of Energy and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China）

The development and application of loop reactors in recent years were reviewed. The research progress of residence time distribution, CFD flow field and heat transfer were introduced in detail. In addition, application of loop reactors in polyolefin areas and other industrial fieldswas described. And the future research development was forecasted.

loop reactor; residence time distribution; CFD; heat transfer

遼寧省博士啟動資金，項目號：201601195。

2016-11-16

田冰虎（1991-），男，碩士，山東省德州市人，研究方向：化工過程強化。

吳劍華，男，教授，研究方向：化工過程強化。

TQ 028

A

1004-0935（2017）01-0088-04