基于CFD 的乙烯淤漿聚合反應(yīng)釜流場模擬研究

呂世軍

(中石化上海工程有限公司,上海 200120)

聚乙烯(HDPE/LDPE/LLDPE)工藝技術(shù)已經(jīng)為人們所熟知,主要包括溶液法、氣相法、高壓法和淤漿法[1],而根據(jù)反應(yīng)器型式的不同,可以分為釜式法、環(huán)管法和流化床法[2]。 我國的低壓聚乙烯生產(chǎn)技術(shù)主要為氣相法和淤漿法,而淤漿法工藝根據(jù)反應(yīng)器型式的不同可以分為釜式反應(yīng)器和環(huán)管反應(yīng)器兩種,反應(yīng)采用高效催化劑,不必脫灰。 對于釜式反應(yīng)器,通過攪拌等方式使反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)混合均勻,以確保乙烯的溶解并參與反應(yīng),使聚合反應(yīng)處于動力學(xué)控制狀態(tài)。

釜式淤漿聚乙烯工藝是生產(chǎn)低壓高密度度聚乙烯的重要方法,具有眾多優(yōu)點——反應(yīng)壓力比管式淤漿法工藝低,反應(yīng)物料近似于全混流,聚合物產(chǎn)品相對分子質(zhì)量分布寬、硬度和強(qiáng)度好;另外,與環(huán)管反應(yīng)器相比,釜式反應(yīng)釜因設(shè)備簡單,相應(yīng)投資也低一些。

從長期的工業(yè)實踐看,乙烯淤漿攪拌釜聚合工藝仍然有其技術(shù)上的先進(jìn)性,僅通過一種催化劑就可以分別生產(chǎn)出不同相對分子質(zhì)量及其分布的幾十種牌號樹脂;而且從使用情況看,生產(chǎn)操作穩(wěn)定,運行周期長。 但由于反應(yīng)體系為多相體系,攪拌釜反應(yīng)器中的傳遞特性參數(shù)、反應(yīng)效果以及聚合物產(chǎn)品性質(zhì)均受到多相體系顆粒性質(zhì)及其運動狀態(tài)的影響,而顆粒的性質(zhì)和狀態(tài)又是隨著反應(yīng)不停變化,非常復(fù)雜。 因此,對攪拌釜多相體系的流體力學(xué)行為研究極富有挑戰(zhàn)性,特別是對攪拌釜反應(yīng)器中泛點轉(zhuǎn)速、臨界懸浮轉(zhuǎn)速、氣含率和固含率等特性的研究不僅具有重要的理論意義,而且對于工業(yè)裝置的操作優(yōu)化、安全生產(chǎn)和產(chǎn)品開發(fā)也具有重要的實用價值。

有部分學(xué)者[3-6]在乙烯高效聚合的動力學(xué)和淤漿聚合反應(yīng)器多相流傳遞特性方面做了不少研究,但對本研究涉及的攪拌釜長徑比在1.0 左右,安裝有多層攪拌槳反應(yīng)器特性的研究還比較少;同時,由于研究的范圍和程度不同,加上多相攪拌體系本身的復(fù)雜性和檢測手段的限制,得出的結(jié)果有一定差異,束縛了工業(yè)界多層槳攪拌釜反應(yīng)器放大的設(shè)計和制造,限制了此類工藝的進(jìn)步。 因此有必要對乙烯淤漿聚合反應(yīng)器進(jìn)行深入而詳細(xì)的研究。

借助運用計算流體力學(xué)軟件CFX 對攪拌釜內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值計算,可以增加設(shè)計的有效性,對實際流場的預(yù)測具有一定的借鑒意義。 Lane 等[7]對攪拌釜內(nèi)的氣液流動模擬進(jìn)行改進(jìn),能夠較好地描述流體速度和氣液分散。 Wang 等[8]在改進(jìn)的內(nèi)外迭代法處理攪拌槳區(qū)、經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式處理氣液流動的基礎(chǔ)上,模擬單層六直葉渦輪槳的氣液兩相流動,得到兩相流的流場和不同徑向位置的氣含率曲線。閆越飛等[9]也采用CFD-PBM 耦合方法研究了液液兩相在攪拌內(nèi)的混合分散過程。

本研究借助CFX 對目前現(xiàn)有10 萬t/a 淤漿法HDPE 工業(yè)裝置的反應(yīng)器進(jìn)行流體力學(xué)研究,找到在目前攪拌體系下,反應(yīng)器內(nèi)的流場特點,為后續(xù)的工業(yè)放大提供依據(jù)。

1 計算流體力學(xué)模型

1.1 計算方程

本研究借助商用CFD 軟件——CFX 進(jìn)行模擬計算。 采用有限體積法,求解流體力學(xué)守恒方程。守恒方程的通用形式為:

對于流動問題,需要準(zhǔn)確模擬湍流狀態(tài),而現(xiàn)有計算機(jī)能力以及對湍流的模型描述都沒有發(fā)展充分,因此無法得到嚴(yán)格的數(shù)值解。 通常求解歸一化的半經(jīng)驗公式RANS(雷諾平均Navier-Stokes 方程),如常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程。 具體表達(dá)式為[10]:

1.2 三維幾何建模

在10 萬t/a 規(guī)模的反應(yīng)器的基本尺寸為反應(yīng)器直徑4 350 mm,反應(yīng)器溢流出料,液位高度4 100 mm,內(nèi)有3 層攪拌,反應(yīng)器底部有8 根通氣管以通入反應(yīng)氣乙烯等,同時這8 根通氣管還起到攪拌器檔管的作用,幾何模型如圖1 所示。 整個反應(yīng)釜在穩(wěn)定工作時,忽略液面變化對流場的影響,故在建模時,僅選擇反應(yīng)釜溢流口以下的部分作為計算域。 其中,下層攪拌槳葉下方的圓環(huán)厚度相對整體尺寸很小,因此可作為無厚度壁面處理,這樣就避免了在葉片厚度方向需要加密網(wǎng)格的要求,而計算結(jié)果基本不受影響。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對于反應(yīng)釜內(nèi)件部分做局部細(xì)化,結(jié)果如圖2 所示。 經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證,取網(wǎng)格數(shù)量約350 萬,整體最大網(wǎng)格尺寸:20 mm,最小網(wǎng)格尺寸:0.6 mm。

1.4 物理模型設(shè)置及操作條件

選擇歐拉法模擬該反應(yīng)釜內(nèi)部流場,計算區(qū)域分為2 部分:攪拌槳所在的旋轉(zhuǎn)域,需要考慮轉(zhuǎn)動;反應(yīng)釜內(nèi)其他區(qū)域為固定域,2 者之間存在交界面。因此,模型設(shè)置時分別按照3 個攪拌槳旋轉(zhuǎn)域以及1 個固定域進(jìn)行。

計算流場時僅研究水為介質(zhì),湍流模型為k-ε。攪拌槳轉(zhuǎn)速采用90 r/min,迭代步長為0.005 s。

邊界條件:反應(yīng)釜液位處設(shè)為液體自由進(jìn)出口,旋轉(zhuǎn)域與固定域的界面分別定義為交界面,其余均設(shè)置為壁面(Wall),如圖3 所示。 其中,氣體入口在進(jìn)行流場模擬時,作為壁面處理,此處僅為示意。

圖1 工業(yè)裝置反應(yīng)釜三維圖Fig.1 Industrial reactor model

圖2 反應(yīng)釜網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid of computational region

1.5 物系特性、操作條件和模擬參數(shù)

流體區(qū)域的介質(zhì)選擇己烷溶液,連續(xù)相為己烷,采用k-ε 湍流模型。 在工作溫度下,己烷混合物液相動力黏度為14.402 cP,密度679 kg/m3。

圖3 工業(yè)裝置反應(yīng)釜邊界條件示意圖Fig.3 Boundary setting for the industrial reactor

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)釜內(nèi)速度大小和方向的分布

考察計算殘差,確定反應(yīng)釜內(nèi)流體形成相對穩(wěn)定的流動的時間,大約為15 ～20 s,取計算20 s 后的模擬結(jié)果,分別對反應(yīng)釜縱切面以及在底層攪拌槳葉的平面對流場進(jìn)行分析,具體的流場分布如圖4和圖5 所示。

速度矢量圖用來反映速度變化、局部流動情況等,用箭頭顏色標(biāo)識速度大小。 圖4 和圖5 中,色調(diào)越接近紅色,表示速度越大,為流動高速區(qū);色調(diào)越接近藍(lán)色,表示速度越小,為流動低速區(qū)。

該尺寸的反應(yīng)釜為實際工業(yè)運行下的裝置,操作彈性好且穩(wěn)定。 利用CFX 軟件對該反應(yīng)釜的流場模擬也可看出,在90 r/min 條件下,反應(yīng)釜內(nèi)流體速度分布均勻,從圖4a)和圖5a)中可發(fā)現(xiàn),上下2 層槳葉區(qū)的速度最大。 槳葉排出的流體沿徑向運動,碰到反應(yīng)釜壁面后,分為向上和向下2 股流體。中層槳葉排出的流體在壁面分開的2 股流體分別與上、下層槳葉排出的流體相遇而流動回槳葉內(nèi)側(cè),符合3 層渦輪槳的流動特性。

2.2 增加外循環(huán)后反應(yīng)釜內(nèi)流場分析

工業(yè)用反應(yīng)器可通過配置液相外循環(huán)撤熱的方式提高反應(yīng)釜撤熱能力,進(jìn)而擴(kuò)大產(chǎn)能,這已經(jīng)由實際生產(chǎn)證明[11]。 生產(chǎn)過程中,反應(yīng)釜底部抽出反應(yīng)漿液,經(jīng)泵加壓,在反應(yīng)釜上部循環(huán)回釜內(nèi),這一擾動對反應(yīng)釜內(nèi)流場影響是否嚴(yán)重,是否存在優(yōu)化空間,是反應(yīng)釜放大需要考慮的因素之一。 本部分工作研究了增加外循環(huán)對目前反應(yīng)釜的流場影響,主要是反應(yīng)釜內(nèi)速度大小和方向的分布情況。

圖4 反應(yīng)釜流速云圖Fig.4 Contour maps of reactor velocity inside the reactor

先在無外循環(huán)的條件下,使反應(yīng)釜內(nèi)流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),然后以此結(jié)果為初始值,模擬外循環(huán)對反應(yīng)釜內(nèi)流場的影響。 新增液相出口:質(zhì)量流率取工業(yè)操作值,在確定的出口管徑下,出口流速5.31 m/s;液相入口:與液相出口流量相同。 外循環(huán)引入前后流場的變化與對比,如圖6 所示。

由上述結(jié)果可知,以工業(yè)裝置外循環(huán)量設(shè)計條件為基礎(chǔ),外循環(huán)流量在一定流速(5.31 m/s)下,對反應(yīng)釜內(nèi)原流場無明顯影響。 由于原反應(yīng)釜底存在死區(qū),從釜底抽出反應(yīng)液,死區(qū)減少,反而利于反應(yīng)物料的混合。

由實際生產(chǎn)經(jīng)驗可知,即使經(jīng)外循環(huán)降溫,物料返回反應(yīng)釜內(nèi)對產(chǎn)品質(zhì)量無明顯影響,因為經(jīng)過外循環(huán)前后的物料溫度變化很小(按小于5 ℃設(shè)計,太大會影響產(chǎn)品質(zhì)量)。 這為反應(yīng)釜放大后的外循環(huán)設(shè)計提供了很好的借鑒。

圖5 反應(yīng)釜流速矢量圖Fig.5 Vector maps of reactor velocity inside the reactor

2.3 翅形擋管對流場的影響分析

確定反應(yīng)釜內(nèi)流體形成相對穩(wěn)定的流動的時間,大約為15 ～20 s,取計算20 s 后的模擬結(jié)果,撤銷擋管后具體的流場分布如圖7 所示。

考察反應(yīng)釜在擋管處切面的速度場情況,與圖5 相同切面對比可知,取消翅形擋管后,反應(yīng)釜內(nèi)流場在反應(yīng)釜內(nèi)整體無明顯變化,但是在擋管附近無局部小漩渦,對流體的擾動作用減弱,不利于形成全混。

2.4 中層槳葉對流場的影響分析

沿反應(yīng)釜中心線做縱剖面,以及以反應(yīng)釜中層槳葉處為橫剖面,分別考察2 個剖面的速度大小分布以及速度方向場。 具體的流場分布,如圖8 和9所示。

圖6 外循環(huán)對反應(yīng)釜內(nèi)流速分布的影響Fig.6 Contour maps of reactor velocity inside the reactor with and without recycle

圖7 撤銷擋管后的流場分布Fig.7 Contour and vector maps of reactor velocity inside the reactor without baffle

圖8 中層槳葉取消后縱切面速度Fig.8 Contour map of reactor axial velocity inside the reactor without middle impeller

比較圖8 和圖4,取消中層攪拌槳后,上下層槳葉之間軸向流動增強(qiáng),而徑向流動減弱,會使氣泡在此段停留時間減短,且徑向分布不足。 另外,渦輪槳的槳盤在一定程度上可以阻止氣泡上升,并同時將氣泡打碎、分散。 減少了該作用,也不利于氣泡的分散。 這是中間槳葉不能太小甚至取消的原因。 而同時,如果中間槳葉太大,將會很大程度上抵消上層槳葉增加返混的作用,而造成氣泡上升太快,停留時間減短。

3 結(jié)論

圖9 中層槳葉取消前后流速云圖和流速矢量圖對比Fig.9 Contour and vector maps of reactor velocity inside the reactor with and without middle impeller

對10 萬t/a 淤漿法HDPE 攪拌釜式反應(yīng)器進(jìn)行流體力學(xué)的模擬,得到了釜內(nèi)流體的速度分布圖和速度矢量圖,考察了外循環(huán)、翅形擋管、中層槳葉等對液相混合的影響,結(jié)果表明:外循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)釜時,對反應(yīng)釜內(nèi)流場影響較小,同時,減弱了反應(yīng)釜底部流場死區(qū),利于流體混合;翅形擋管利于形成局部小范圍返混;設(shè)置中層槳葉可以強(qiáng)化反應(yīng)釜內(nèi)中間區(qū)域的混合作用。 模擬結(jié)果為更大規(guī)模的淤漿反應(yīng)器設(shè)計提供了依據(jù)。

符號說明:

Cε1—常數(shù),1.44;

Cε2—常數(shù),1.92;

σk—常數(shù), 1.0;

σε—常數(shù), 1.3;

t—時間, s;

μt—湍流黏度, kg/(m·s);

ρ—密度, kg/m3;

k—湍動能, m2/s2;

U—速度, m/s;

ε—湍流耗散率, m2/s2;

SM—動量源, (kg·s2)/m2;

Pk—湍流剪切, (kg·s3)/m。