反应器及设备CFD模拟说明书

山东齐鲁石化 年产3万吨C4改制MMA项目反应器流场模拟2018“东华科技-陕鼓杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛山东齐鲁石化年产3万吨C4改制MMA生产项目反应器流场模拟团队名称： 安徽工程大学 敦复无悔 指导老师： 唐定兴 李兴扬 任一鸣 李芳 张荣莉 团队成员： 许甄 余栋梁 赵庆仁 汪皓 秦承佳 完成时间：2018年7月目录第一章 概述51.1 研究目的51.2 研究对象6第二章 列管式反应器管程模拟72.1 反应器简化72.2 网格划分82.3 控制方程组9（1）连续性方程：9（2）动量方程：9（3）组分方程：10（4）能量方程：102.4 模型选择102.5 结果及分析112.5.1床层压降112.5.2速度分布122.6 单管传热模拟132.6.1 温度分布132.6.2 反应速率分布172.7 总结18第三章 环形分布器流场模拟及改进193.1 概述193.2 作用193.3 模拟条件193.4 主要研究方向203.5 模拟过程203.5.1物理模型203.5.2 边界条件与数值分析213.5.3 网格划分213.5.4 分析与讨论223.5.5结构改进两个进口的流场分析。243.5.6出口管数的改进与分析:263.6 总结30第一章 概述1.1 研究目的在本章之前介绍了本工艺流程中各反应器的设计方法及结果，在实际的工业应中这些设计是否能达到预期效果还需要各种试验。无论从人力、物力还是财上，正式投产前的试验都要耗费大量资源。为了节省投入，在实验之前首先在流体力学层面上进行软件模拟可以剖析反应器内的流动、传热及反应过程，进而通过模拟结果检验设计结果，尽早发现设计上的不合理之处。计算流体力学（CFD）：流体力学属于经典力学，在连续介质假设的前提下，用于描述流体质点在表面应力和体积力的作用下的运动。流体力学基本方程是包含连续性方程、动量方程和能量方程的偏微分方程组。流体力学方程组又称为Navier-Stocks方程，简称NS方程，该方程组的解，即空间流场内的速度、密度、压力、温度等参数的分布函数。NS方程只有在某些简化情况下存在解析解，在大部分情况下，需要采用数值方法求解NS方程。异丁烯选择性氧化反应器（固定床列管式反应器）作为主反应器，是整个工艺流程中的核心，因此以此反应器为模拟对象进行CFD模拟。在前处理部分，首先对反应器进行适当的简化，运用CAD软件进行三维建模，用ICEM软件创建网格。求解器使Fluent14.5.和17.0软件进行求解。首先以反应器管程为研究对象，对反应器内流动情况进行模拟，得到反应器内的速度、压力等分布，从而分析反应器内的分布性能。在对流动分析的基础上，以单个反应管为研究对象，对管内传热及反应过程进行模拟，模拟结果显示在当前设计条件下，反应管内温度分布合理，有热点现象的产生，需要进行改进。最后的环形分布器的设计为壳程换热介质能够分布均匀起到了关键性作用，满足设计要求。1.2 研究对象1) 对简化后的列管式反应器管程进行模拟2) 对单根反应管的传热过程进行模拟3) 对壳程进口的液体分布器进行流体模拟第二章 列管式反应器管程模拟2.1 反应器简化以异丁烯氧化反应器（固定床列管式反应器）管程为研究对象，由于实际反应器反应管数目过于庞大（4259根以上），这给物理建模和网格划分、模拟计算都增添了巨大压力，因此将反应管进行简化，对管径和管心距进行适当放大，反应管数目缩小至81根。简化后的参数如表1所示。简化后以一根反应管代表所在实际反应器相应区域内的几根反应管，考察气体在反应器中的分布情况。对反应器内流动情况进行分析后，以单根反应管为研究对象，对管内的传热以及反应进行模拟分析。表1 简化后的反应管参数反应管反应管数目/根外径/mm管心距/mm管长/mm简化前425932404000简化后811602004000图2.1 简化后的反应管排布图（正三角形排列）图2.2. 简化后的3D物理模型在AUTO CAD中对简化后的反应器进行建模，三维模型如图2所示。2.2 网格划分将CAD文件导入到ICEM中，对整个反应器划分网格。根据反应器各部分尺寸以及其所处环境，设置不同的尺寸。对于特殊部位，如反应管，设置边界层加密。网格的生成模式选择混合网格，确保网格质量均在0.3及以上，最终网格数量约为80万，网格划分完毕后的模型如图2.2所示。由于三维模型太过于庞大，工程量大，计算难度高，导入FLUENT求解器后，无法完成正常的计算功能。为了节省计算成本，节约时间，我们选择了一个二维模型进行求解，大致能模拟出流体在反应器内部流动情况，结合后处理的情况，我们可以认为这种简化处理达到了模拟计算的目。 图2.3 三维反应器网格划分 图2.4二维反应器混合网格划分2.3 控制方程组反应器内一系列流动、传热和反应过程可通过连续性、动量、能量和组分守恒方程来表示：（1）连续性方程：其中，和为反应气体的速度和密度。（2）动量方程：其中，为气相粘度，由气体分子动力学粘度确定。（3）组分方程：其中，i为组分数，代表为组分i的反应速率，他们由所选用的动力学模型决定。为组分的质量分数，为组分的扩散系数，为组分i的反应质量源项。（4）能量方程：其中C和为反应气体的热容和导热系数，通过气体的混合定律计算得到。为组分i 的生成热，为组分i的能量源相。其中，和为气体的速度和密度。2.4 模型选择（1）由于反应管内气体流动状态为层流，所以模型选择为层流(viscous-laminar)。反应管内装填催化剂的区域设置为多孔介质，孔隙率（porous zone）设为0.5，粘性和惯性阻力系数通过欧根公式进行计算。（2）对于反应工程方面，选择有限速率化学反应进行模拟。（3）对于物质输送，选择speeds transport模型。（4）能量方程将会同时打开。（5）非耦合的稳态隐式解，fluent 中默认的松弛因子，simple 算法，对压力方程采用标准差分格式，对动量方程、湍动能方程和湍流扩散方程均采用一阶上迎风差分格式，连续方程和动量方程的收敛精度为为默认精度。2.5 结果及分析2.5.1床层压降以床层压降作为参考值来反应模拟过程准确性是否达到要求。反应器为竖直放置，气流从反应器顶部进料。催化剂颗粒会对流体产生阻力，同时，反应器壁面也会有摩擦阻力产生，导致反应器内的压力从反应器上半段到下半段均匀下降。所以，床层压降会影响反应进行的程度。压力分布云图如图5所示图2.5.压力分布云图2.5.1.1分析结果与讨论：（1） 在反应器的压降核算中已经计算得床层压降为1657 Pa，CFD模拟结果为1610Pa，两者相差不大，且各反应管内压降分布高度一致，由此可认为模拟结果符合要求。（2） 通过压力分布云图可以看出，除进口管道处压力较大之外，反应器内部压力分布合理，且反应管内压力在安全压力之内，说密码设计的反应器安全合理性。（3） 可以适当增加进口管径，降低进口压力，以保证物料能够顺利进入反应器内2.5.2速度分布速度分布云图如图所示，能大致反映出流体在反应器内流动情况。图2.6 速度分布云图图2.7 速度矢量图2.5.2.1速度分布结果及分析从速度分布云图可以看出，反应物以较高的速度进入反应器，从进口管进入管箱后，速度迅速降低，速度梯度明显。可以的原因是流体在从狭小的区域进入宽阔的区域后，流体会在较短的时间内进行充分发展，从而从湍流变成了充分发展的层流，与模型选定的层流模型对应。对于反应器来说，层流流体更加稳定，可控。说明，设计的反应器在流体流动方面合理。反应管内的平均速度在0.25m/s,与理论空速0.24m/s大致相等，设计合理。流体在反应管内部流动类似于匀速流动，保证了反应管内部的稳定。从图7.速度矢量图看出，流体在反应器内流动合理，因为压降合理，所以并没有产生大的涡旋，所以反应器内部噪音将会减少。因为没有产生旋涡，所以反应的返混将会减小，对于异丁烯氧化反应，反应单程转化率高，减小返混，将会有效提高主反应反应的转化率和选择性，副反应的转化率将会随之将小。2.6 单管传热模拟2.6.1 温度分布为了更好的得到反应温度的分布云图，我们对单根反应管进行了流场模拟，采用结构性网格进行计算，反应模型与整体反应器模型相同。在反应器中，越接近反应器内部中心，反应越剧烈，相应，反应温度越高，同样，离壁面越远的地方，热量越难被带走，所以选取沿反应器轴向Z向两个切面X，Y，分析温度情况。图2.8.Y切面（X-Z平面）温度分布云图图2.9.X切向 （Y-Z平面）温度分布云图图2.10.热点区温度分布云图2.6.1.1结果与分析：从温度分布云图中可以看出，反应管内温度分布呈正态分布规律。在反应管1/8处存在明显的局部高危区，此时温度达到了605K，称温度最高的点为热点。该点的温度称为热点温度，与设计温度593K相差12K，超过了设计温度，如果不加以外部取热，将会严重影响反应器性能。在热点之后温度会有所下降，基本上维持在恒温592K左右，与设计温度偏差不大，基本上达到了设计要求，但是对于热点区要求进行分析与改进。2.6.1.2分析热点温度产生的原因反应器内沿轴向温度分布都有一最高温度点,称为热点,在热点以前放热速率大于除热速率,因此轴向床层温度逐渐升高,热点以后则正好相反。异丁烯氧化为MAL的反应为强放热反应，随着反应进行，如果不进行外部环境取热，温度会一直升高。气体一旦进入装有催化剂的反应管便会放出反应热，温度以较快的速度上升至605K(332)，而后的部分温度一直保持592K不变。2.6.1.3热点的危害热点的出现,使催化床层只有一小部分催化剂在最佳的温度下操作,影响了催化剂效率的充分发挥。热点温度过高,会使反应选择性降低,催化剂作用变慢,甚至使反应失去稳定性或产生飞温,导致火灾爆炸事故。2.6.1.4预防热点飞温出现的常规措置（1）催化剂的改进。可通过在原料气入口附近反应管上层放一定高度的惰性载体稀释催化剂,或放一定高度已部分老化的催化剂,降低入口附近反应速率以降低放热速率（2）选用传热性能好的环形载体催化剂,环形可克服球形载体催化剂气体走短路的缺点,气体搅动激烈,传质传热速率快,有利于热量的移出。（3）换热方式的改善。增大换热面积及合理选择载热体以增大换热系数。一般反应温度在300以下宜采用加压热水作载热体。反应温度在500以上则需用熔盐作载热体。（4）反应器结构的改进。可通过扩大反应管的直径、减少反应管根数或串联多个反应器的方法减弱反应状态的差异,降低局部飞温发生的可能性。2.6.1.5本反应器所采用的专利创新专利CN1029228和US5276178分别采用了粒径或活性递变的方式进行催化剂装填,这两种填方式被认为可引导反应逐步进行,防止反应剧烈、热量累积,从而提高反应的选择性和催化剂寿命。具体采用的催化剂装填方式，见反应器设计说明书，一种新型催化剂装填方式中有详细说明。2.6.2 反应速率分布图2.11.反应速率分布2.6.2.1结果与分析：反应速率与反应物的浓度和温度有关，浓度越大，温度越高，反应速率越快。图11为反应器的反应速率分布云图。从图中可以看出在反应管以外的部分反应速率均为零，反应管内反应速率先增加至一个峰值后下降。这是因为在反应管前段温度对反应速率起主导作用，随着反应热的积累，反应器温度越来越高，导致反应速率不断加快。随着反应的进行，反应物浓度不断降低，虽然反应温度一直稳定在设计温度附近，但是因为浓度不断下降导致反应速率下降。另外，催化剂的催化性能也会影响反应速率，当催化剂的工作温度超过最适温度时，催化速率将会下降，此时反应速率也会明显下降。所以这也是热点温度不能过高的原因。反应速率不是越快越好，同样，受催化剂催化速率影响，反应速率也不会超过一个极限值，我们需要对反应速率进行有效的控制，使其在合理的范围之内，这样才能保证反应器稳定和安全。2.7 总结通过数值模拟的方法，得到了反应器在管程内部压力分布，速度分布，以及反应管内部温度分布和反应速率情况。通过分析得出结论，设计的反应器是合理和安全的。在反应热点方面，为了防止非温的情况产生，应采取有效措施去避免。反应器设计的另一个难点在于壳程换热介质的流动是否合理，要使反应器的综合性能保持单管的水平,把握壳程流体的流动状态是十分重要的,而流体在各个反应管的均匀分布则是关键因素之一。解决大型列管式固定床反应器的开发、放大、设计问题,其根本的难点就是没能设计一个合适的导流装置,在反应器内得到均匀的温度场和流场。所以接下来我们需要对壳程设置一个合理的气液分布器，使壳程换热介质在壳程分布均匀。第三章 环形分布器流场模拟及改进3.1 概述环形分布器是改善列管式固定床反应器壳程流体均布性能的重要构件。列管式固定床反器由于具有较强的移热能力而被广泛应用于一些反应速率快、放热量大的反应过程。一般情况下，列管式固定床反应器的反应物料在装有催化剂的反应管内发生反应，同时与管外载热体进行热交换。其合理的结构形式将使催化剂床层处于相对稳定的温度范围内，从而为反应的进行提供良好的环境。3.2 作用近年来，随着化学工业和石油化工行业的快速发展，生产规模日益扩大，列管式固定床反应器的直径逐渐增大。而国内设计的大直径列管式固定床反应器与国外相比往往存在径向温差偏大的问题，工业上通常采用环形分布器来改善壳程流体的分布，从而减小反应器径向温差，而且减少高速流体对管程的冲击力。环形分布器的结构对提高大型列管式固定床反应器的性能起着至关重要的作用，因此对其流场分布进行研究具有重要的意义。3.3 模拟条件流体介质:根据反应条件得，异丁烯氧化反应为强放热反应，为了使温度保持恒定选取换热介质为中压饱和水，其汽化成中压饱和蒸汽，吸收大量热量温度：中压饱和水温度为174摄氏度压力：为了达到中压条件，选取压力P=2.3Mpa重力加速度：考虑到该流体为液体，重力无法忽略，所以去竖直方向加速度g=-9.81m/s2流速：为了达到更好的换热效果，适当增加流速，从而是流体达到湍流的效果，增加扰动，提高换热速率。这里取流速u=1m/s3.4 主要研究方向研究环形分布器内部静压分布规律。研究环形分布器不用结构对流体分布规律的影响。不同结构有：改变进口数目，改变出口数目。通过以上研究，分析流体分布规律，设计出结构最合理的环形分布器。3.5 模拟过程3.5.1物理模型工业列管式固定床反应器的环形进口分布器是一个完整的圆周，图1所示即为环形分布器的几何结构。该环形通道为内径1000 mm，外径1150 mm的圆环，高为 800 mm，进口为直径200 mm的圆管，沿环形通道内侧壁圆周均匀分布24个直径为20 mm 的开孔，从靠近进口的一侧出口开始编号，到靠近进口的另一侧出口分别为124。环形通道结构示意图3.5.2 边界条件与数值分析环形分布器的固体壁面均采用无滑移、粗糙度为0. 0005，绝热边界，进口为速度型边界条件，出口为压力出口型边界条件，近壁处采用标准壁面函数。采用 k-SST 湍流模型，非耦合的稳态隐式解，FLUENT 中默认的松弛因子，SIMPLE 算法，对压力方程采用标准差分格式，对动量方程、湍动能方程和湍流扩散方程均采用一阶上迎风差分格式，连续方程和动量方程的收敛精度为10-3。3.5.3 网格划分在 FLUENT 的前处理软件ICEM14.5 中进行网格划分，主流道部分采用结构网格，进出口区域采用非结构四面体网格。网格划分效果最终网格质量3.5.4 分析与讨论3.5.4.1环形通道内的速度与静压分布:研究环形分布器内的速度与静压分布是研究流体均布的前提。图1图2.为 1 个进口、24 个出口时环形分布器主流道内沿流体流动方向的速度与压力分布。图3.1.压力分布云图图3.2.速度分布云图图3.3.进口涡旋矢量图3.5.4.2分布结果结果及分析：从图1，图2中可以看出，通道内沿着流体流动方向，速度不断递减，静压不断增加。流体进入环形通道后，相当于流道突然扩大的过程，发生边界层分离，产生漩涡，造成能量损失最大。而且入口处流体撞击在通道内壁上，动能转化为静压能，形成高压区，造成入口区静压分布最不均匀。且在进口的对称处出现静压能最大，动能最小，极其便利与出口的流速的均匀分布，失去了环形分布器的意义，所以需要对环形分布器结构进行改进，改进方法就是在进口处再开一个进口。3.5.5结构改进两个进口的流场分析。保持进口流量和其它条件不变，只改变进口数目，考察了进口数目2个时的流体均布情况。保持进口直径和进口流量不变，增加进口数目会使得进口流速降低。为了区分考察进口数目和降低进口流速对流体分布的影响，对 2 个进口情况增大进口直径。3.5.5.1双进口环形通道速度与静压分布图3.4，速度分布云图 图3.5，压力分布云图图3.6，速度矢量图3.5.5.2分析与讨论：由图一速度分布云图可以看出，通过增加进口管数，使管内速度分布更加均匀合理，没有出现极值，所以双进口的设计达到了预期的效果。由图二静压分布云图可知，静压比单进口静压减小，单进口之所以会形成高压区是因为上下通道在最远端与进口水平