帶芯管的管式反應器中流體力學的實驗研究

于立富，孫懷宇

（沈陽化工大學 化學工程學院，遼寧 沈陽 110142）

氯乙烯轉化器是一種固定床催化反應器，是氯乙烯合成工藝中的關鍵設備[1]。轉化器列管內填充經HgCl2浸漬、干燥的活性炭催化劑，反應溫度為160～180℃[2]，混合反應氣體走管程，列管之間循環冷卻介質（庚烷等）[3，4]。該反應屬于固定床強放熱反應，存在的問題是反應集中在管長方向上的局部進行，容易在此部分引起飛溫而導致催化劑失活。這種情況限制了管中反應氣的流速，使轉化器生產能力難于進一步提高。

在管式反應器內加入芯管，可以改變轉化器管內氣體的流動分布，分散放熱區域，降低局部的高溫，從而增大反應器的流動速度，提高生產能力。本文通過對加入芯管后的管式反應器進行流體力學實驗及模擬計算，以得到在芯管上開不同孔徑情況下對應的夾層及芯管的流速和阻力系數[5]，并通過擬合得到其阻力系數的公式。此研究有助于掌握反應器中的流體流動特性，為進一步設計及優化[6]帶芯管式轉化器打下基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗裝置如圖1所示，主要由風機、空氣轉子流量計、Φ70×2.5mm外管、Φ10×1.5mm芯管、U形管壓差計等構成。外管內同心安裝芯管，管長為1000mm,在芯管500mm位置圍繞一周開孔。芯管與轉化器列管之間填充粒狀活性炭。實驗中芯管開孔孔徑分別為2.5，3.0和3.2mm，個數為9個孔。

圖1 流體力學實驗裝置Fig.1 Fluid mechanics experimental device

1.2 實驗方法

本實驗用空氣作為工作介質。為說明氣體的流程，在圖2中使用字母進行了標識，A表示夾層入口、B表示夾層側芯管開孔、C表示芯管側開孔、D表示階層出口、E表示芯管出口、F表示芯管入口。

圖2 測量裝置圖Fig.2 System measurement

通過測量氣體流經活性炭夾層（A→B→D）的壓差，可以計算出活性炭層的阻力。再使空氣從夾層A流入，通過夾層B流經芯管開孔C，并從芯管末端E流出，計算出阻力ABCE。根據流體阻力公式可以得到芯管阻力ABD。通過計算BC=ABCE-AB-CE得到芯管開孔處的阻力。根據以上數據，處理分析，擬合出芯管開孔處出阻力系數f關于雷諾數Re 的關系式[7]。

2 結果與討論

2.1 芯管開孔大小對夾層和芯管流速的影響

空氣進入反應器后從夾層流入，并分別從芯管和夾層流出（A→B→D與A→B→C→E），在芯管不同開孔孔徑情況下氣體在芯管和夾層中的流動情況：

圖3 不同孔徑情況下芯管氣體流量分布Fig.3 Air flow distribution in core tube under different aperture

圖4 不同孔徑情況下夾層氣體流量分布Fig.4 Air flow distribution in interlayer under different aperture

圖5 不同孔徑情況下芯管/夾層氣體流量比率Fig.5 Air flow rate in core tube and interlayer under different aperture

在相同入口流量條件下，空氣只由夾層流入，并分別從芯管和夾層流出，與實際生產相類似，只是芯管中氣體流動方向相反。通過圖5可以看出，孔徑越大，芯管的出口流量越大，夾層的出口流量越小。當處于相同芯管開孔孔徑的條件下，芯管的出口流量要遠大于夾層的出口流量，說明芯管中的流動阻力系數遠小于夾層中的阻力系數。

2.2 芯管開孔大小對夾層和芯管阻力系數的影響

2.2.1 空氣從夾層進入并從芯管末端流出 封閉芯管兩端，空氣從夾層進入，從夾層末端流出（A→B→D）。測量空氣通過夾層中活性炭顆粒時的流動情況。阻力系數定義式為:

式中 ΔΡ：壓差，Pa；ζ：阻力系數；Z：管長，m；V：夾層中空氣實際流速，m·s-1；ρ：空氣密度，kg·m3。利用公式（1）求取阻力系數。

圖6 氣體通過夾層時阻力系數Fig.6 Resistance coefficients when air flow the interlayer

通過圖6可以發現，當氣體只通過活性炭夾層時，阻力系數隨著入口流量的增加而逐漸變小。其阻力系數擬合公式為：Y=59230+9.4X-0.003X2，X表示入口的流量，Y表示夾層的阻力系數。

2.2.2 空氣從夾層進入，經過芯管開孔處并從芯管末端流出 空氣進入反應器后只從夾層部分流入，氣體流經上半部分夾層后穿過芯管開孔從芯管末端流出（A→B→C→E），在芯管不同開孔孔徑情況下氣體的流動情況：

圖7 氣體流經夾層從芯管流出時阻力Fig.7 Resistance coefficients when air flow the interlayer out of the core tube

圖7為上半部分夾層阻力、開孔處阻力、下半部分芯管的阻力之和，此時的阻力系數隨著流量的增加呈減小趨勢。

由于芯管為光滑管，氣體流經管道時管道沿程阻力系數（fAD）根據文獻[8，9]可得。

對于氣體來說，其阻力系數可用以下簡化公式進行估算：

式中 d：直徑，芯管內壁光滑η取1。

圖8 芯管開孔處的阻力系數及擬合曲線Fig.8 Resistance coefficients and fitting curve of open pore of core tube

由圖8可以看出，空氣進入夾層，并分別從芯管和夾層流出，在保持相同入口流量條件下，芯管開孔處阻力系數情況:

同一孔徑：阻力系數均隨著入口總流速的增加而呈增大趨勢，其中孔徑為2.0mm時阻力系數最大。

不同孔徑：在總進口流速較大和較小的情況下，阻力系數隨總進口流速的增加而呈減小趨勢；在總趨勢上，3.2mm的阻力系數最小，孔徑為2.0mm的阻力系數最大。

擬合公式為：f2.0=9610+2.14Re

擬合公式為：f2.5=9484+2.15Re

擬合公式為：f3.2=8767+2.19Re

開孔處的阻力系數隨著入口流量的增加而呈增加趨勢，由圖8知，在入口流量約為2400L·h-1時，芯管開孔處的阻力系數最小。

3 結論

本文主要針對芯管上不同開孔大小的芯管式轉化器進行研究，將空氣用作工質流體來進行冷態實驗操作。得到如下結論：

（1）當空氣進入夾層，分別從芯管和夾層同時流出時，在相同的入口流量時，開孔直徑越大，夾層和芯管的出口流量分流越明顯；在相同的孔徑的條件下，隨著入口流量的增加，夾層和芯管的出口流量差值減小；說明芯管中的流動阻力系數遠小于夾層中的阻力系數。

（2）空氣從夾層流入，流經芯管開孔處，并從芯管末端流出，數據處理后得到空氣在芯管開孔處的阻力系數與雷諾數的關系。

［1］黃志明.聚氯乙烯工藝技術［M］.北京：化學工業出版社，2007：64-66.

［2］胡玉梅.我國PVC行業現狀及裝置建設若干問題探討［J］.當代石油石化，2006,14（2）:23-27.

［3］鄧安慶.我國乙炔法氯乙烯生產技術的回顧與改造［J］.化工設計，1997,（3）:5-7.

［4］吳玉初，劉煉欽.氯乙烯合成反應器庚烷循環冷卻技術［J］.聚氯乙烯，2010，09.

［5］黃志甲,雷博,魯月紅.填料層阻力的實驗研究［J］.廣州化工，2009，（37）：84-86.

［6］渠曉東.氯乙烯生產過程優化控制研究［D］.大連理工大學2007.5-8.

［7］陳敏恒，叢德滋等.化工原理（上）［M］.北京：化學工業出版社,2006.28-30.

［8］徐生盼，陳慶軍，梁曉懌，凌立成.球形活性炭流體力學特性的研究［J］.炭素，2008，（3）：24-26.

［9］殷海青.管道沿程阻力系數測定實驗的計算機處理［J］.西北紡織工學院學報，2000,（9）.