大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计.pdf
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1、压 力 容 器第 41 卷第 1 期2024 年 1 月 63 收稿日期:2023-10-10 修稿日期:2023-12-25doi:10 3969/j issn 1001-4837 2024 01 008设 计 计 算大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计高章帆,宋 尧,王智拓,王俊夫,刘彭华,刘维红(中国成达工程有限公司,成都 610000)摘 要:环盘结构是大型换热式反应器中最常用的壳程导流结构之一,针对环盘折流板结构参数的选择影响反应器壳程流场特性的情况,分析了环盘型折流板的结构特性,发现大型反应器折流板相对板距 d*的取值通常为0.150.20;在此基础上建立了不同相对缺口面积
2、S*条件下的模型进行流场模拟;详细分析折流板结构参数对壳程流体流动形态、停留时间分布和压降特性的影响,综合考虑后提出 S*=0.150.30是大型反应器相对缺口面积的合理设计范围;最后,根据现有研究中单弓型折流板换热器的数据,在模拟的结构条件范围内对比了环盘和单弓结构的性能,为工程设计提供指导。关键词:换热式反应器;环盘折流板;流动形态;停留时间分布;压降中图分类号:TH122;TQ052.6 文献标志码:A Numerical simulation of fluid flow and structural design of large reactor with ring and disk
3、baffleGAOZhangfan,SONGYao,WANGZhituo,WANGJunfu,LIUPenghua,LIUWeihong(ChengdaEngineeringCorporationofChina,Chengdu 610000,China)Abstract:Ringanddiscbaffleisoneofthemostcommonlyusedflowdiversionstructuresinlargeheattransferreactors Theselectionofstructureparametersofringanddiscbaffleaffectstheflowfiel
4、dcharacteristicsofthereactorshellside Thestructurecharacteristicsofthelargeringanddiscbafflereactorwereanalyzed,itisfoundthat0 150 20isthereasonabledesignrangeofthebaffled*inthelargereactor Onthisbasis,themodelsunderdifferentrelativegapareaS*wereestablishedtosimulatetheflowfield Theinfluencesoftheba
5、fflestructureparametersontheflowpattern,residencetimedistributionandpressuredropcharacteristicswereanalyzedcomprehensively,thenitwassuggestedthat0 150 30wasareasonabledesignrangeforthebafflestructureparameterS*Finally,accordingtothedataofthesegmental-baffleheatexchanger,theperformanceofthering-disca
6、ndthesegmentalstructurewascomparedintherangeofsimulatedstructuralconditions,whichprovidesguidanceforengineeringdesignKey words:heattransferreactor;ringanddiscbaffle;flowpattern;residencetimedistribution;pressuredrop0 引言大型换热式反应器通常采用环盘型折流板,例如乙二醇装置中的加氢反应器和羰化反应器等大多采用环盘结构1。这些反应器体积大,内径可达45006000mm,设备的制造成本
7、高,以某年产60万 t 乙二醇工程项目的环盘反应器为例,该项目中反应器的制造成本可达2.5亿元人民币,故保证反应器后期稳定和高效的运行是工程设计的关键。环盘折流板制造和安装方便,但目前常用的一些换热器分析软件(如 HTRI),并不能分析该类型的折流板,无法提供环盘折流板的结构条件。目前,关于环盘折流板结构的研究也相对较少。夏天等2采用 Fluent 软件考察了环盘折流板反应器中不同管板环隙对管外冷却介质温度分布和流动压降的影响;李滨滨3模拟了单组折流板缺口面积和间距的条件下,换热器壳程温度和压降的变化趋势;吴秋华4研究了环盘折流板开孔对换热器壳程性能的影响。以上这些研究中对环盘折流板关键参数的
8、设计方案没有进行充分地研究,难以对工程设计提供指导。在此情况下,环盘64PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41,No.1,2024折流板的结构参数只能凭经验取值,这难以保证反应器壳程流体的流动性能。鉴于此,本文利用数值模拟计算不同环盘折流板结构条件下反应器壳程的流场,对反应器壳程流体的流动和压降进行分析,提出大型反应器中环盘折流板合理的结构参数范围,为工程设计提供指导;并参考现有文献研究中的数据,以对比分析本研究范围内环盘和单弓型折流板壳程流体的综合性能。1 数值模型和模拟方法1.1 模型及方案环盘折流板的间距和缺口面积是决定反应器壳程流动性能的关键结构参数5-9,为
9、有效类比不同内径的反应器并简化模型,将折流板的间距和缺口面积无因次化。定义相对板距 d*和相对缺口面积 S*如下:d*=d/D(1)S*=S/A(2)式中,d 为折流板距,mm;D 为设备内径,mm;S 为折流板缺口面积,mm2;A 为设备横截面积,mm2,A=D2/4。工程上典型的换热式反应器如图1所示。反应介质通过管程入口进入反应管,反应管中装满了催化剂,壳程为吸热或放热介质,用以控制反应管中催化反应过程的温度,从而保证反应高效稳定地进行。图1 换热式反应器结构示意Fig.1 Structuraldiagramofaheattransferreactor为了控制反应管的应力在强度允许范围内
10、,通常反应器中折流板的无支撑跨距不能太大,且无支撑跨距过大会发生流体诱发振动。对于碳素钢和高合金钢常用的30mm38mm 反应管,GB/T1512014热交换器中允许的最大无支撑跨距为21002500mm,为了保证应力有充足的裕量,通常将其控制在2000mm 以内,即折流板的间距不超过1000mm,这使得内径为45006000mm 的大型反应器折流板的相对板距 d*为0.150.20。因此对于大型的环盘反应器,只需在该范围内确定出折流板合理的缺口面积即可。以某一在建工程项目中的2台大型环盘反应器为例,其内径分别为4600,5800mm,反应管数量分别为8084,16454,反应管长度分别为70
11、00,6000mm,根据强度设计,其折流板距分别为800,900mm,故其相对板距d*分别为0.17,0.16。为在该 d*条件下确定出合理的相对缺口面积 S*,将设备模型等比例缩小,同时由于反应器主要功能区域为折流板间的流程区域,因此为计算方便,忽略进出口管段的流程,简化后的三维模型如图2所示。壳体内径 D=150mm,壳体长600mm;反应管外径14mm,管中心距21mm,管数为32。同时设计了表1中的5组结构。图2 模型结构示意Fig.2 Structuraldiagramofmodel表1 折流板结构参数Tab.1 Structuralparametersofbaffle结构序号折流板
12、数d/mmd*圆环内径/mm圆盘外径/mmS*125250.17381450.06225250.17601370.16325250.17801260.30425250.171001120.45525250.17116950.601.2 控制方程及求解条件采用 Fluent 软件,在有限体积离散的计算域65高章帆,等:大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计内建立标准的不可压缩质量守恒方程、Navier-Stokes 方程和组分输运方程,对壳程流体的流动过程进行三维数值模拟,选择适用范围最广泛的标准 k 模型作为本文计算的湍流模型。=u0(3)+=+utuufpu12(4)+()=ctucSc
13、ciitti(5)式中,=u0为流体速度,m/s;t为流动时间,s;f为源项;为流体密度,kg/m3;为运动黏度,m2/s;ci为单位流体中示踪剂的浓度,kg/m3;t为流体的湍动黏度,Pa s;Sct为施密特数。壳程流体采用20的常温水,进出口边界条件为速度入口和压力出口,进口速度依据换热器壳程流体常用速度范围取值1,入口流量 Q=14.3m3/h,出口压力设置为0Pa,折流板、换热管及设备壁面均为无滑移壁面。计算方法采用压力速度耦合的 SIMPLE 算法,压力插值格式采用PRESTO 算法。动量方程采用二阶迎风格式,湍动能和湍流耗散率方程釆用一阶迎风格式。1.3 模型网格划分及无关性验证网
14、格模型如图3所示。由于三维模型几何对称,将模型 z 方向的中面设置为对称面,建立了1/2网格模型。模型整体采用六面体结构网格,考虑到流动边界层的影响,将设备和折流板壁面处的网格进行局部加密。图3 网格模型示意Fig.3 Schematicdiagramofthegridmodel流动模拟结果的准确性受网格数量的影响很大,以 S*=0.30的模型为例进行网格无关性验证,计算了不同网格数量下反应器壳程进出口的压降 p,结果见表2。可以看出,当网格数量达到149万以后,壳程进出口压降的变化已经很小,说明此时计算的精度已基本与网格无关,采用更精密的网格计算不经济,故本研究不同条件下的模型网格数量均为1
15、49万左右。表2 网格数量对压降的影响Tab.2 Effectofmeshnumberonpressuredrop项目网格数量430178 830446 1494801 2092722 2929810压降 p/Pa 9137393006941619421394227压降相对偏差(%)3.0291.2960.0700.01502 模拟结果讨论2.1 壳程流场分析折流板不同缺口面积下反应器壳程沿 z 方向中面及单位折流通道宽度中面的速度分布如图4所示。图4 折流板不同缺口面积下的速度云图Fig.4 Velocitycontourwithdifferentgapareaofbaffle由图4可以看出
16、,由于边界条件的限制,反应器壳程中流体呈现不均匀分布,当 S*0.30时,设备中存在较大面积的流动死区,死区主要分布在设备的中心处;对比不同缺口面积下反应器壳66PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41,No.1,2024程的速度分布可知,随着折流板结构参数的变化,换热器壳程死区的分布情况会发生变化,且死区分布的面积随着折流板缺口面积的增大而增大,说明此时 S*越小,设备的流动性能就越强。反应器中死区的存在会使得传热面积利用率低,降低传热性能10,从而导致死区区域内换热管中的反应温度达不到预期,使得反应失控,同时损坏催化剂11,故合理选择环盘折流板的结构参数,从而保证反
17、应器壳程流体的流动性能至关重要。2.2 壳程流体停留时间的分布特性停留时间分布(ResidenceTimeDistribution,RTD)作为设备中流体流动的有效研究手段12,其广泛应用于化工设备中流体流动行为的研究13-16,通常采用脉冲响应法测试设备中流体的RTD17-19。脉冲响应法,即 t=0时刻在设备入口以脉冲注入方式瞬时注入示踪剂,同时在设备出口记录示踪剂的浓度响应曲线 C(t),再计算出设备中流体 RTD 密度函数 E(t)的方法。E tC tC ttC tC ttii()=()()=()()+d0书书书书书书(6)模拟时,测试设备中流体 RTD 的步骤如下,该模拟方法已有相关
18、研究验证6,20-21。(1)首先将流场计算到稳态;(2)在入口设置示踪剂的体积分数,并在合适的时间内注入适量的示踪剂;(3)将入口示踪剂的体积分数设置为0,并在出口监测示踪剂的浓度变化曲线 C(t);(4)通过式(6)求得设备出口流体的 RTD 密度函数 E(t)。为计算方便,定义无因次时间和无因次RTD 密度函数 E()如下:=t/=tt(7)EtE t()=()(8)式中,=tt为流体在设备中的平均停留时间,其值为壳程体积 V 与流量 Q 的比值,即=tt=V/Q。停留时间的方差能表征 E()曲线的分散程度,从而反映设备的流动性能。方差越小,表明流体的停留时间分布越集中,设备中的流动模型
19、越趋于平推流,因此设备的流动性能就越强;特别地,220=()()+Ed=0表示设备中的流动模型为理想的平推流。方差220=()()+Ed的计算式如下:220=()()+Ed书书书220=()()+Ed(9)其中:=()+0Ed书书书=()+0Ed(10)式中,=()+0Ed为 E()曲线的一次矩。折流板不同相对缺口面积 S*下的 E()曲线如图5所示。可以看出,折流板不同 S*下壳程流体的 RTD 曲线差异很大,随着 S*的增大,RTD曲线的出峰时间越早,曲线的分散程度越大;特别当 S*=0.60时,其 RTD 曲线的出峰时间仅为0.2左右,说明设备中的流体可能存在明显的短路现象6。因此,截取
20、了=0.1和=0.3时,设备中示踪剂的分布云图,如图6所示。可以看出,当S*=0.60时,设备中的流体分两股,一股流体通过环盘折流板的非重叠区域直接短路流出设备;另一股流体通过湍流扩散进入设备中心区域的死区,再缓慢地流出设备,故其 RTD 曲线有很长的拖尾。图5 折流板不同 S*下的 E()曲线Fig.5 E()curveunderdifferentS*ofbaffle图6 S*=0.60条件下设备中示踪剂的分布云图Fig.6 TracerdistributioncontourwithS*=0.60图7示出=0.5时折流板不同 S*下设备中示踪剂的分布云图。可以看出,随着折流板相对缺口面积 S
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