環(huán)管反應(yīng)器的研究進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(jìn)展及其應(yīng)用領(lǐng)域。介紹了環(huán)管反應(yīng)器在停留時(shí)間分布、CFD流場、傳熱等方面的研究進(jìn)展，同時(shí)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(jìn)行展望。

環(huán)管反應(yīng)器；停留時(shí)間分布；計(jì)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(jìn)出口組成。反應(yīng)物料在環(huán)管中循環(huán)流動(dòng)，在流動(dòng)過程中實(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(jìn)展

1.1 環(huán)管反應(yīng)器停留時(shí)間分布研究進(jìn)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(jì)和操作時(shí)的關(guān)鍵因素。停留時(shí)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(shí)間分布的數(shù)學(xué)建模一直在進(jìn)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(shí)間分布數(shù)學(xué)模型，模型包含并借助計(jì)算機(jī)獲得了循環(huán)反應(yīng)器簡化的停留時(shí)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(shí)間分布進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，獲得停留時(shí)間分布密度函數(shù)、平均停留時(shí)間、無因次方差的解析式。

表1 環(huán)管反應(yīng)器停留時(shí)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(kuò)散模型對連續(xù)流動(dòng)環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)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(shí)間分布數(shù)學(xué)表達(dá)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(jì)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(jìn)口的影響，并用獨(dú)立的CSTR對進(jìn)口進(jìn)行了描述。Melo等[7]描述了環(huán)管反應(yīng)器的停留時(shí)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(jìn)行了建模。其模型在環(huán)管反應(yīng)器的停留時(shí)間分布的表征方面取得了非常高的精度。因此，基于軸向擴(kuò)散模型對環(huán)管反應(yīng)器的停留時(shí)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(jìn)展

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD）流體力學(xué)的一個(gè)分支，是將數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)用于求解流體力學(xué)中描述流體運(yùn)動(dòng)的各類方程，進(jìn)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(jì)算流體力學(xué)用數(shù)值實(shí)驗(yàn)（Numerical Experiments）代替盡可能多的物理實(shí)驗(yàn)，并且可以完整的展現(xiàn)所有關(guān)心位置的流場細(xì)節(jié)，成為流體力學(xué)有效的研究與設(shè)計(jì)工具。由于環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜（包含進(jìn)出口管路和循環(huán)泵，且計(jì)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(dòng)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(dòng)形態(tài)進(jìn)行了研究。在漿液流速遠(yuǎn)大于自由沉降速度的情況下，模擬了不同漿液入口速度時(shí)的環(huán)管反應(yīng)器上升段壓力降。為了得到更加真實(shí)全面的流場信息，施徳磐等[10]進(jìn)一步完善了模型，建立了閉合環(huán)管的CFD模型，采用顆粒動(dòng)力學(xué)描述固相（顆粒相）黏度與壓力，采用多重坐標(biāo)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(dòng)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(jìn)出口、大計(jì)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(jìn)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(jìn)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?jǐn)?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(qiáng)。

Gao等[13]對環(huán)管反應(yīng)器的環(huán)管部分進(jìn)行了傳熱研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)流速的增加，整個(gè)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(dòng)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(shí)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(fù)荷較大的情況仍顯不足。而對于管式反應(yīng)器的強(qiáng)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(shí)，也具有強(qiáng)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(shí)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(jìn)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(dú)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(jìn)行升級(jí)，現(xiàn)已形成擁有自主知識(shí)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(jì)，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(dá)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(shí)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(xì)菌生長速度，更大程度的湍動(dòng)有利于絲狀細(xì)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(dòng)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(xì)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(kuò)散模型對環(huán)管反應(yīng)器的停留時(shí)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(jìn)展，但仍有一些不足存在，缺乏帶有進(jìn)出口、大計(jì)算域、大長徑比的環(huán)管反應(yīng)器的CFD模擬。在傳熱方面，強(qiáng)化傳熱技術(shù)可期待用于環(huán)管反應(yīng)器，進(jìn)一步實(shí)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。

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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(dòng)資金，項(xiàng)目號(hào)：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(qiáng)化。

吳劍華，男，教授，研究方向：化工過程強(qiáng)化。

TQ 028

A

1004-0935（2017）01-0088-04