李曉霞，聶 傲

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

氣相流化床聚合工藝具有流程簡(jiǎn)單、能耗低、靈活性高和環(huán)保相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)聚乙烯的主要工藝之一。其中氣相流化床反應(yīng)器的移熱能力是限制生產(chǎn)能力的瓶頸，在工業(yè)生產(chǎn)過程中通常采用向流化床反應(yīng)器內(nèi)引入易冷凝的液體（一般為共聚的高級(jí)α-烯烴或惰性飽和烴），使其在反應(yīng)器中蒸發(fā)吸熱，強(qiáng)化聚合反應(yīng)熱移出效率的辦法，使反應(yīng)器的時(shí)空收率成倍提高[1-6]。

然而在流化床進(jìn)口管線處彎頭的離心作用將會(huì)降低引入的易冷凝液體對(duì)氣相流體的跟隨作用，從而導(dǎo)致流動(dòng)過程中氣液相分離，在流化床內(nèi)形成偏流現(xiàn)象。偏流現(xiàn)象的出現(xiàn)不但會(huì)破壞流化床反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，影響反應(yīng)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行；而且可能會(huì)誘發(fā)反應(yīng)器內(nèi)的顆粒大量結(jié)塊，使得反應(yīng)器的單耗增加[7-8]。液含量是影響流化床中偏流現(xiàn)象的重要因素，因此保證進(jìn)入床層時(shí)液體的均勻分布非常重要。

導(dǎo)流器的使用可以在一定程度上解決冷凝態(tài)操作時(shí)氣液分布不均和偏流的問題。例如，氣相法聚乙烯裝置通常使用的圓環(huán)形導(dǎo)流器將流化氣分成兩部分，一部分從導(dǎo)流器中心處上升，通過分布板進(jìn)入反應(yīng)器，另一部分從導(dǎo)流器兩側(cè)沿壁面上升，從而防止反應(yīng)器底部積液的產(chǎn)生[9]。

本文對(duì)某工業(yè)氣相流化床反應(yīng)器的進(jìn)口管線和混合室進(jìn)行CFD模擬，定量分析冷凝液含量對(duì)反應(yīng)器內(nèi)壓力分布、氣速分布及液含量分布的影響，為后期通過導(dǎo)流器及進(jìn)口管線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以消除反應(yīng)器內(nèi)的偏流現(xiàn)象奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，期望能為氣相流化床冷凝操作模式的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 模型建立

基于某30萬t/a氣相法聚乙烯裝置流化床反應(yīng)器為基礎(chǔ)，流化床反應(yīng)器直徑為5.00m，循環(huán)氣管線內(nèi)徑為0.9m。導(dǎo)流器（圖1）為平板圓環(huán)，中心圓孔直徑（0.75m）小于進(jìn)氣管內(nèi)徑，外徑（1.55m）大于進(jìn)氣管內(nèi)徑。導(dǎo)流器安裝于進(jìn)氣管上方0.16m處，將進(jìn)料氣液混合物壓向?qū)Я髌鞣忸^壁面，達(dá)到流體重新分配的作用。

圖1 流化床反應(yīng)器導(dǎo)流器和入口管線結(jié)構(gòu)示意圖

因進(jìn)氣管、導(dǎo)流器、混合室均為面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故選取1/2區(qū)域建立三維模型，在降低計(jì)算量的同時(shí)也能夠準(zhǔn)確地反映真實(shí)流場(chǎng)分布。采用Eular-Eular雙流體模型來描述反應(yīng)器中的氣液兩相流動(dòng)過程，分別對(duì)液滴和氣相流體建立連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，氣液兩相間的曳力模型采用Schiller-Naumann模型，湍流模型采用k-ε模型。

模擬條件選用工業(yè)裝置冷凝態(tài)操作時(shí)的工藝參數(shù)，如表1所示。氣相混合物的密度按照臨界參數(shù)法計(jì)算，液相密度按照混合規(guī)則計(jì)算，氣、液相的黏度采用Herning-Zipperer法計(jì)算。計(jì)算得氣相混合物的密度為21.18kg/m3，黏度為14.5μPa·s；液相混合物的密度為496.28kg/m3，黏度為146.7μPa·s。

表1 工業(yè)流化床反應(yīng)器冷凝態(tài)操作時(shí)的工藝參數(shù)

續(xù)表

改變進(jìn)氣冷凝液（異戊烷）的摩爾含量（8.9%、15%和20%），考察進(jìn)氣冷凝液含量對(duì)流化床內(nèi)壓力分布、氣速分布和液含量分布的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力分布

圖2是不同進(jìn)氣冷凝液含量下進(jìn)氣管和導(dǎo)流器內(nèi)的壓力分布云圖。由圖2可知，不同進(jìn)氣冷凝液含量下，進(jìn)氣管與導(dǎo)流器內(nèi)的壓力分布基本相似，受導(dǎo)流器的阻擋作用，導(dǎo)流器的上游壓力（進(jìn)氣管）明顯高于導(dǎo)流器的下游（混合室）壓力，且下游混合室的壓力分布較上游進(jìn)氣管區(qū)更為均勻。同時(shí)在進(jìn)氣管內(nèi)，高壓與低壓區(qū)分別出現(xiàn)在進(jìn)氣管彎管外側(cè)區(qū)域以及內(nèi)側(cè)區(qū)域。這是因?yàn)闅庖合嗔黧w流進(jìn)進(jìn)氣管的彎管處會(huì)受到彎管壁面的阻擋以及慣性力的作用。氣液相流體在進(jìn)氣管彎管處將產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向的橫向壓力，且隨著進(jìn)氣冷凝液含量的升高，壓力增加。同時(shí)由于環(huán)形導(dǎo)流板中心圓孔的縮孔作用導(dǎo)致環(huán)形導(dǎo)流板下方存在壓力較低的區(qū)域，且流體流過導(dǎo)流板后，壓力略有增加。隨著進(jìn)氣冷凝液含量ML的增加，進(jìn)氣管和導(dǎo)流器的總壓降ΔP也隨之增大，這主要是因?yàn)殡S著進(jìn)氣冷凝液含量的增加，流化床系統(tǒng)需要使用更多的能量將其輸送到流化床反應(yīng)器中。

圖2 不同進(jìn)氣冷凝液含量條件下的壓力分布云圖

表2為不同冷凝液含量條件下，進(jìn)氣管和導(dǎo)流體的整體壓降。從表2可知，冷凝液含量對(duì)進(jìn)氣管和導(dǎo)流器的整體壓降有較大影響。冷凝液含量從8.9%增加至20%的過程中，整體壓降從15kPa增加一倍至30kPa。進(jìn)氣管和導(dǎo)流器整體壓降的增加將會(huì)影響工程設(shè)計(jì)過程中循環(huán)氣壓縮機(jī)的選型。故在后期循環(huán)氣壓縮機(jī)的選型過程中考慮反應(yīng)器操作壓力以及管道阻力降后需進(jìn)一步疊加不同聚乙烯牌號(hào)最大冷凝液含量下所增加的壓力降。

表2 不同冷凝液含量條件下進(jìn)氣管和導(dǎo)流器整體壓降

2.2 速度分布

圖3是不同進(jìn)氣冷凝液含量下進(jìn)氣管與導(dǎo)流器內(nèi)的流體速度分布云圖。結(jié)果表明，對(duì)于不同進(jìn)氣冷凝液含量下進(jìn)氣管和導(dǎo)流器內(nèi)的流體速度分布規(guī)律相同。在受到導(dǎo)流環(huán)的阻擋作用后，流體分為從中心圓孔處以及沿混合室壁面處流動(dòng)的兩股流體。沿混合室壁面處流動(dòng)的流體在撞擊頂部分布板后回流，在中心圓孔處流體兩側(cè)形成較大的湍流旋渦，同時(shí)沿壁流動(dòng)的流體將會(huì)減少液相在混合室底部的堆積。在受到彎管處壁面的阻擋以及慣性力的作用下，流體產(chǎn)生了垂直于流動(dòng)方向的橫向壓力作用，使得流體沿管子徑向方向產(chǎn)生了速度差。流經(jīng)彎管后，由于豎直管段的長(zhǎng)度較短無法充分消除彎管慣性力對(duì)流體流速的影響，故流體在徑向方向上仍存在一定的速度差。

圖3 不同進(jìn)氣冷凝液含量條件下的速度分布云圖

2.3 液相體積分率分布

圖4是不同冷凝液含量下進(jìn)氣管與導(dǎo)流器內(nèi)的液相體積分率分布云圖。由圖4可知，隨著進(jìn)氣冷凝液的增加，在受到彎管的離心作用下，更多的液相將會(huì)被甩向外側(cè)壁面，氣相對(duì)液相的夾帶作用減弱，氣液相分離現(xiàn)象明顯，在彎管外壁處逐漸形成明顯的高液相體積分率的區(qū)域，且流化床軸向高度的增加能降低液相體積分布的不均勻性。然在本模擬結(jié)構(gòu)中，相較于低冷凝液含量（8.9%，15%）下，20%冷凝液含量下進(jìn)入混合室內(nèi)的氣液相體積分率的不均勻性更為明顯?；旌鲜覂?nèi)的氣液相分布不均勻性將進(jìn)一步影響流化床反應(yīng)器內(nèi)的氣液相分布從而引起反應(yīng)器內(nèi)的偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行的不穩(wěn)定及顆粒結(jié)塊現(xiàn)象。

圖4 不同進(jìn)氣冷凝液含量條件下的液相體積分率分布云圖

圖5為不同進(jìn)氣冷凝液含量條件下直管段截面液相體積分率分布情況，從圖5可知，沿徑向方向上進(jìn)氣管內(nèi)冷凝液的分布規(guī)律相似，且隨著進(jìn)氣冷凝液含量的逐漸增加，進(jìn)氣管中冷凝液體積分率的分布范圍變寬。

圖5 不同進(jìn)氣冷凝液含量條件下直管段截面液相體積分率分布情況

從上述的分析中可以看出，進(jìn)氣管的彎管是引起氣液相體積分率的主要原因，同時(shí)混合室內(nèi)的圓形導(dǎo)流器未能有效地改善氣液相的分布，尤其是高進(jìn)氣冷凝液含率情況下。故下一步將通過改進(jìn)進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)，如在直管段設(shè)置變徑段，在工程實(shí)際允許的基礎(chǔ)上增加直管段長(zhǎng)度以及優(yōu)化圓形導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步消除氣液相體積分率的影響，減少反應(yīng)器內(nèi)偏流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文通過計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）研究了使用某圓環(huán)形導(dǎo)流器的氣相法聚乙烯流化床反應(yīng)器的進(jìn)口管及混合室內(nèi)的氣液相流場(chǎng)，定量地分析了循環(huán)氣體中冷凝液含量對(duì)壓力分布、氣速分布及液含量分布的影響。

1）因進(jìn)氣管彎管壁面處的阻擋及慣性力作用，在進(jìn)氣管內(nèi)，高壓與低壓區(qū)分別出現(xiàn)在進(jìn)氣管彎管外側(cè)區(qū)域以及內(nèi)側(cè)區(qū)域。同時(shí)冷凝液含量對(duì)進(jìn)氣管和導(dǎo)流器的整體壓降有較大影響，故在實(shí)際循環(huán)氣壓縮機(jī)的選型過程中，在考慮反應(yīng)器操作壓力及管道阻力降后需進(jìn)一步考慮不同聚乙烯牌號(hào)的冷凝液含量對(duì)反應(yīng)器壓降的影響。

2）在受到彎管的離心作用下，進(jìn)氣冷凝液的增加會(huì)使得更多的液相被甩向彎管外側(cè)，氣液相分離現(xiàn)象明顯，在進(jìn)氣管內(nèi)會(huì)形成明顯的液相體積分率不均勻的區(qū)域，進(jìn)而影響混合室以及流化床反應(yīng)器的氣液相分布，引起反應(yīng)器內(nèi)的偏流現(xiàn)象。

3）通過定量地研究循環(huán)氣體中冷凝液含量對(duì)壓力分布、氣速分布及液含量分布的影響，了解冷凝量的增加對(duì)反應(yīng)器內(nèi)偏流現(xiàn)象的影響，為下一步優(yōu)化進(jìn)氣管以及導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。