溫度對聚丙烯環管反應器內部流場的影響研究

摘" " " 要：針對溫度對聚丙烯環管反應器內部流場的影響進行了研究，首先通過運用AUTOCAD、ANSYS等軟件，對聚丙烯環管反應器進行二維工程圖的建立、三維模型的建立以及網格劃分，同時建立好數學模型與邊界條件。其次通過運用流體力學軟件對三維模型進行求解計算，通過求解計算可以得到聚丙烯環管反應器在不同溫度下內部流場中的溫度云圖。最后通過對溫度云圖的研究與對比分析，進一步判斷出在何種溫度下，環管反應器內部溫度的分布更為均勻，對丙烯聚合反應更有利。

關" 鍵" 詞：聚丙烯環管反應器；流場分析；溫度云圖

中圖分類號：TH49" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）06-0888-05

1" 三維建模與網格劃分

1.1" 三維建模

本文所研究的工業規模聚丙烯八腿環管反應器為天華院于2020年完成制造，單臺反應器要求年產量為60萬t，使用壽命為20年，反應器內筒體材質為SA-671 Class22 CC70。主要計算參數見表1所示。

本文根據AUTOCAD軟件中對聚丙烯環管反應器設計的二維工程圖（見圖1（a）左圖所示），并基于三維軟件對環管反應器進行三維建模，建立的三維裝配圖（見圖1（a）右圖）可以直觀清晰的表明反應器整體的結構，建立的三維流體域（見圖1（b）所示）作為本文所研究內容的邊界范圍。

由于聚丙烯八腿環管反應器，是由左右鏡像對稱的兩個四腿環管反應器組成（即R-201/202），并且對R-201、R-202進行流場特性研究時會得到相同的結果，因此本文僅選取R-201為研究對象，并建立三維流體域，通過對R-201的研究與分析得到環管反應器整體的結論。

三維流體域的主要結構由四根直管段、兩個180°彎頭、一個L形彎頭（由一個90°彎頭與一個連接段組成）以及一個U形彎頭（由兩個90°彎頭與一個連接段組成）組成。為了能夠更準確且更直觀的得到反應器的三維模型，并通過使用流體力學軟件對反應器內部進行流場特性研究，決定對反應器采用1∶1比例進行三維建模。

1.2" 網格劃分

本文選用ANSYS軟件對建立好后的聚丙烯環管反應器三維流體域進行非結構化網格劃分。網格類型設置為純三角網格，網格尺寸設置為75 mm。對兩個180°彎頭、一個U形彎頭以及一個L形彎頭進行局部網格細化，細化網格尺寸設置為25 mm。對三維流體域內部網格進行局部網格細化，細化網格尺寸設置為50 mm。因流場特性研究時，還要考慮到近壁面流體的流動狀態，因此對流體域進行邊界層設置，網格層數設置為5，膨脹率設置為1.2，并將入口面命名為inlet，出口面命名為outlet，壁面命名為wall?；谝陨显O置，對反應器三維流體域進行網格劃分，劃分后的網格總數為2 575 866，并經過網格無關性驗證，且網格質量均大于0.4。（見圖2（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示，為聚丙烯環管反應器三維流體域非結構化網格劃分結果）

2" 數學模型

模型求解計算在流體力學軟件中進行，首先將流體在環管反應器內流動的雷諾數計算出來。計算公式見式（1）所示：

通過公式（1）對雷諾數的計算得知，雷諾數遠大于4 000，表明對于本文的研究，流體在環管反應器內的流動狀態屬于湍流狀態。

對于環管反應器內部溫度場的研究，計算時決定采用Realizable k-ε模型與標準壁面函數（Standard Wall Functions）。并采用穩態模擬與SIMPLE算法對反應器三維流體域的梯度項（Gradient）與壓力項（Pressure）進行耦合計算。

2.1" Realizable k-ε模型

Realizable k-ε模型的湍動能、湍流耗散率的輸運方程分別由公式（2）、（3）表示，其中公式（3）中的" 由公式（4）表示：

湍流粘性系數公式有如公式（5）的形式，其中公式（5）中的" 由公式（6）表示，公式（6）中的 、、 分別由公式（7）、（8）表示，公式（2.8）中的" 由公式（9）表示，公式（9）中的" 由公式（10）表示，公式（10）中的 、 由公式（11）表示：

在流體力學軟件中，流體在流場中所受的重力、浮力以及流體的密度與溫度梯度對湍動能的影響都是存在的。但是浮力對湍流耗散率的影響不是很清楚，因此在湍流耗散率方程的默認設置中，浮力的影響不被考慮。

2.2" 邊界條件

對于本文溫度場的特性研究，決定將環管反應器內部流體在入口面（inlet）與出口面（outlet）流動的邊界條件設置為不可壓縮流動，即速度進口（Velocity-inlet）與自由出流（Outflow）。并將反應器內液相與壁面邊界（wall）指定為無滑移條件，將固相指定為部分滑移模型[1，2]。

模型的壁面剪應力，通過公式（12）計算得出：

在本文的研究中，賦予鏡面反射系數 。" 的數值與壁面的大尺度粗糙度有關，取值范圍為 。當" 時，固相存在自由滑移，管壁對固相施加零剪切力；當" 時，固相服從無滑移條件，管壁會產生大量剪切力。

假定壁面邊界（wall）上存在“偽熱能”通量的一般邊界條件?！皞螣崮堋蓖? 可由公式（13）表示：

在本文的研究中，賦予顆粒與壁面碰撞的恢復系數 。

2.3" 模型求解

將環管反應器三維流體域入口邊界條件設置為Velocity-inlet，入口流體速度設置為7 m/s；出口邊界條件設置為Outflow，并采用SIMPLE算法對反應器三維流體域的梯度項（Gradient）與壓力項（Pressure）進行耦合計算。為了保證模型求解時的計算精度與速度，在對三維流體域求解的過程中，除動量項（Momentum）以外其余各項（湍動能Turbulent Kinetic Energy、湍流耗散率Turbulent Dissipation Rate）均采用一階迎風方程（First Order Upwind）進行計算，動量項采用二階迎風方程（Second Order Upwind）進行計算，計算精度設置為10-6。

在運行計算（Run Calculation）前，采用混合初始化（Hybrid Initialization）的方式進行初始化計算。在運行計算時，分別設置計算步數為3 000步，對于固液兩相二次流的研究，在Coupled算法下，當計算到第2 652步時殘差收斂；對于流場中速度、壓力與湍動能的研究，在SIMPLE算法下，當計算到第1 901步時殘差收斂。

3" 不同溫度（65、70、75 ℃）下對反應器內部的流場分析

圖3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示為聚丙烯環管反應器內部流體在流速為7 m/s、管徑為800 mm時不同溫度（65、70、75 ℃）下的溫度云圖，內容包括XY面Z=0時溫度云圖、XY面Z=5.6 m時溫度云圖、YZ面X=0時溫度云圖、YZ面X=5.6 m時溫度云圖以及XZ面Y=-1.3 m時溫度云圖。

本節之所以選用65、70、75 ℃對環管反應器內部溫度的分布情況進行研究與分析，是因為這是聚丙烯環管反應器在工業應用中最常用的三個工作溫度。而通過對環管反應器三個工作溫度下的溫度云圖的研究與對比分析可以看出，在三個溫度云圖中反應器內部的溫度分布情況都相對均勻，局部溫度波動情況相對較小，不影響丙烯聚合反應的正常進行。但本文所研究的福建中景石化有限公司單臺60萬t/a的聚丙烯環管反應器在工業應用中工作溫度選用75 ℃，作者認為這與環管反應器結構的大型化有關。本文所研究的環管反應器目前是全球最大聚丙烯環管反應器，高度約60 m、直徑800 mm，如此“龐然大物”，為了考慮到反應器內部丙烯聚合反應能夠順利進行，且丙烯聚合反應能夠反應的更徹底，因此選用75 ℃來作為工作溫度，以提高聚丙烯的生產效率。因為高溫不僅會促進反應的進行，還會使催化劑更加活躍，有效的提高了反應的速度與效率。

從圖（a）、（d）反應器工作溫度在75 ℃下的溫度云圖中也會清晰的發現，在丙烯漿料剛進入反應器內進行聚合反應時，會出現局部溫度過低的情況，作者認為這是由于反應器直徑與高度過大，因此會在起始位置處出現短暫的溫度波動情況，這也驗證了之前推斷的結論。

4" 結論與展望

4.1" 結論

本文對于聚丙烯環管反應器內部流體在不同溫度（65、70、75 ℃）下的溫度云圖進行了研究與對比分析。通過分析可知，三個溫度云圖在反應器內部的溫度分布情況都相對均勻，局部溫度波動情況相對較小，不影響丙烯聚合反應的正常進行。而選用更高的溫度，一方面可以促進反應的進行，提高聚丙烯的生產效率；另一方面本文所研究的環管反應器為全球最大環管反應器，管徑很大，而為了使丙烯聚合反應能夠反應的更徹底，因此工作溫度要選用更高的溫度。

4.2" 展望

本文對于溫度對聚丙烯環管反應器內部流場的影響研究中，因涉及較多學科交叉，并需要瀏覽大量中外文獻用來熟悉聚丙烯的特性、工業應用、工藝流程與環管反應器的結構特點、研究現狀等。相關知識范圍非常廣，研究過程也十分復雜，因此只能對環管反應器進行以上研究與分析。而環管反應器內部流體流動時的流態復雜多樣并伴有化學反應，怎樣能夠更全面的對環管反應器內部進行模擬分析，一直是困擾多年的難題。有關環管反應器內部丙烯聚合過程的模擬研究、非均勻流動特性模擬研究等諸多問題，還需要日后進一步的去探討與研究。

參考文獻：

［1］P. C. Johnson，R. Jackson. Frictional–collisional constitutive relations for granular materials with application to plane shearing[J]. Fluid Mech，1987（176）：67–93.

［2］J. L. Sinclair，R. Jackson. Gas-particle flow in a vertical pipe with particle–particle interactions[J]. AICHE J，1989（35）：1473–1486.

Abstract： The influence of temperature on the flow field inside the polypropylene loop reactor was studied. Firstly， through the use of AUTOCAD， ANSYS and other software， the two-dimensional engineering drawing of the polypropylene loop reactor was established， the three-dimensional model was established and the grid was divided， and the mathematical model and boundary conditions were established. Secondly， the fluid mechanics software was used to solve the three-dimensional model， the internal flow field temperature nephogram in the polypropylene loop reactor at different temperatures was obtained by the solution calculation. Finally， through the study and comparative analysis of temperature cloud， it was further judged that at what temperature， the distribution of temperature inside the ring-tube reactor was more uniform， which was more favorable to the polymerization of propylene.

Key words： Polypropylene loop reactor; Flow field analysis; Temperature nephogram