丁醇羰基合成反應器流體攪拌改造與應用

劉來志

（兗礦魯南化工有限公司，山東滕州277527）

兗礦魯南化工有限公司丁醇裝置丁醛制備單元有羰基合成反應器兩臺，每臺反應器配LIGHTNIN 機械攪拌器一臺，通過機械攪拌使原料氣和母液均勻混合。攪拌器原裝Flowserve 帶軸套雙端面集裝式機械密封，采用Plan 53 A 沖洗方案。開車初期,機械密封運行極不穩定，最短運行僅幾個小時，系統即被迫停車更換損壞零件，嚴重影響系統的穩定運行。通過對2#羰基合成反應器進行流體攪拌改造，拆除了原有機械攪拌器，實際運行效果滿足了工藝要求。

1 攪拌技術簡介

攪拌分為機械攪拌和流體攪拌，一般丁醇羰基合成反應器都是采用機械攪拌。其設備結構比較復雜，且重要部件機械密封、底軸承等易損壞，特別是底部軸瓦和襯套的維修，需排盡反應器內物料并可靠置換后，檢修人員才能進入反應器底部更換零件，設備無法實現安全穩定長周期運行。

流體攪拌技術是在氣流攪拌的基礎上研發并應用的一種新技術，它充分利用反應器母液自身循環，通過改善合成氣及循環母液分布，實現反應器內氣液相充分混合，使反應速率大大提高，從而起到替代機械攪拌器的功能。流體攪拌系統的應用不僅消除了機械攪拌可能造成的停車隱患，而且節約了大量維護費用。

2 流體攪拌技術應用

2.1 計算流體力學（CFD）分析

計算流體力學是一種通過計算機數值計算和模擬圖像，對各種流體流動和傳熱等相關物理現象的系統做模擬分析的一門學科[1]。通過對反應器內的三維高速湍流（同時還伴隨著流體的脈動以及隨機湍動）的分析[2]，來模擬預測不同工藝條件下反應器內介質的流動與混合。CFD 技術可以模擬在不同工藝條件下，反應器內的流速分布、濃度分布以及計算相關的流動參數，具有可視化、客觀性以及高效性的優勢。利用CFD 技術，不僅可以使用戶直觀地觀察反應器內流體的流動，還可以根據模擬結果對工藝設計進行優化。

2.2 原攪拌系統仿真分析

采用計算流體技術（CFD）的方法對流體攪拌系統中反應器進行仿真計算分析，通過選取截面氣體濃度分布分析，結果如下：

（1）靠近氣體分布器出口處，氣體濃度最大，遠離氣體分布器小孔出口處，氣體濃度逐漸降低。

（2）氣體主要集中在氣體速度流線上，而且與四周液體混合效果較差，由此可知，反應器內氣液混合不均勻。

（3）可能由于氣體分布器開孔直徑較大，在氣體流量一定條件下，使氣體出口速度較小，導致氣體引入反應器后前進動力不足。

通過對選取截面氣體速度分析，結果如下：

（1）靠近氣體分布器小孔出口處，氣體速度最大，遠離小孔出口處，氣體速度逐漸降低，反應器內中間氣體速度要高于四周氣體運動速度。

（2）氣體運動方向是向上的，但是在靠近反應器壁面靠下處，出現了氣體回流現象。

（3）反應器內氣體速度分布不均勻，甚至局部位置氣體運動速度為零，間接反映了反應器內氣體分布不均勻。

通過以上分析結果可知，由于原來機械攪拌系統中反應器的氣體分布器開孔大、數量少等原因，造成氣體在反應器內分布不均勻，氣體利用率相對較低。

2.3 優化攪拌系統方案

根據原有攪拌系統反應器氣體流速、濃度分布及液體速度分布仿真結果，針對原有攪拌系統存在氣體分布器開口數量少、分布不均勻、孔徑尺寸較大、液體回流進口角度等問題，提出以下優化改進方案：①增加氣體分布器開孔數量；②減小氣體分布器開孔的尺寸；③擴大氣體分布區域；④降低進口噴射速度；⑤改變液體進口角度。

2.4 優化流體改造方案實施

根據優化攪拌系統方案，對2#羰基合成反應器做如下改造：

（1）原分布器開孔φ12.7 mm，新分布器開孔φ4 mm 和φ6 mm。

（2）原分布器開孔數量14 個，新分布器φ4 mm 孔數量240 個，φ6 mm 孔數量21 個。

（3）原分布器一圈，新分布器分為內、外兩圈。

（4）原液體進口為直噴，新分布器為傾斜15°斜向上噴。

（5）拆除原機械攪拌器、擋板等。

3 運行效果

2#羰基合成反應器于2016年6月系統檢修期間完成了機械攪拌器的拆除，舊分布器的拆除以及新分布器的安裝和進料口的改造。系統開車后攪拌效果良好，完全滿足工藝要求，各項指標均優于改造前。2018年6月系統檢修期間，對流體攪拌改造部件進行了檢查，各部件完好，未發現異常。

4 總結

流體攪拌技術充分利用反應器母液自身循環，改善了原料氣體及循環母液分布，分布器小孔使反應氣泡分散成小氣泡并變得更均勻，實現了反應器內氣液相的充分混合，使反應速率大大提高；同時流體攪拌技術的應用消除了機械攪拌可能造成的停車隱患，實現了安全穩定長周期運行，并節約了投資、運行和維護費用支出。流體攪拌技術的應用及優化在丁醇生產及相關流體攪拌行業的推廣應用潛力巨大。