环形分布管流流量交换系数式的研究

环形分布管流流量交换系数式的研究

列管固定床装置是广泛应用于工业生产的重要装置之一。在管道中的气枪反应的同时，井层通过管道与管道外的热交换。井层轴向温度分布均匀，接近等温反应。具有高激活流和单次转化率的特点，尤其是强放热反应，如环氧化乙烯、环氧化乙烯和氯仿氢生产氯乙烯、二甲苯氧化铵、正丁烷氧化铵和吨位污泥。列管式反应器的设计通常是在单管实验的基础上进行的,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,而流体在壳程环形分布器内的均匀分布则是关键因素之一。国外大公司已掌握了列管式反应器放大的关键技术,列管式反应器直径已达10m,而国内至今尚未解决大型列管式反应器的开发、放大、设计问题,所设计的列管式反应器直径难超越5m。对于列管式反应器的环形分布器,由于技术保密国外鲜有报道,国内仅有少数科研单位和高校进行了研究。文献采用Navier-Stokes运动方程求解环形流道中的变质量流动,但未考虑流体阻力的影响;文献利用动量矩定理推出了环形通道内的变质量流动的压强分布规律,并通过实验测定了模型参数,但计算值与实测值相差较大。文献针对切向进气的环形分布器进行了研究,采用激光多普勒技术测量了流道的流场,发现流道内存在循环气流,但未提出流体流动模型。本文在长期从事流体变质量流动和在直管分布器中流体均布实验研究的基础上,利用动量守恒原理,推导出环形分布管的修正动量方程,并在与前人实验结果比较和分析的基础上,提出了与环形分布管相适应的分流和合流动量交换系数式。1u3000环形流道的修正量表列管式反应器的环形分布器如图1所示。环形流道中流体的流动情况见图1(b)。一般环形流道是等截面的,流体在圆周角θ=0-θL的范围内从环形管内侧沿半径方向流出,或流体沿半径方向流入环形管流道。如果把环形分流流道和环形集流流道取出一段微元弧段如图2所示,在弧度为θ的截面I-I处的主流道流速为v,静压为p,其动量是ρSv2;经过一微元弧段dθ后,在弧度为θ+dθ的截面II-II处主流道流速为v+dv,静压为p+dp,其动量是ρS(v+dv)2。在微元弧段的摩擦阻力为λSDeρv2Rdθ2λSDeρv2Rdθ2,因为分出或汇入的支流是沿半径方向,与环形管侧壁的作用力不具有周向分力,也不具有圆周方向的动量。在稳定流动的情况下,沿圆周方向的动量变化,同时在微元弧段dθ内存在静压力和摩擦阻力,则环形流道动量方程为ρS(v+dv)2−ρSv2=Sρ−S(p+dp)−λρS2DeRv2dθ(1)ρS(v+dv)2-ρSv2=Sρ-S(p+dp)-λρS2DeRv2dθ(1)在动量项中引入动量交换系数k,将上式整理后,即得环形流道的修正动量方程dp+k⋅2ρvdv+λρ2Rv2dθ=0(2)dp+k⋅2ρvdv+λρ2Rv2dθ=0(2)以分流环管的进口端为计算基准点,如图3所示,并假定流体均匀分布,自θ=0积分至θ=θL,即可得到等截面环形分流流道静压变化积分式ΔpAθ=ρv2A0{k分[1−(1−θθL)2]−λRθL6De[1−(1−θθL)3]}(3)ΔpAθ=ρvA02{k分[1-(1-θθL)2]-λRθL6De[1-(1-θθL)3]}(3)以集流环管的始端为计算基准点,如图4所示,并假定流体均匀分布,则vB=vB0θθLvB=vB0θθL,即可得到等截面环形集流流道静压变化积分式ΔpBθ=−ρv2B0[k合(θθL)2+λRθL6De(θθL)3](4)ΔpBθ=-ρvB02[k合(θθL)2+λRθL6De(θθL)3](4)在式(1)—(4)中,ρ为流体的密度,kg/m3;De为环形管流道的当量直径,m;S为环形管截面积,m2;R为以环形管中心计的圆半径,m;λ为环形管的摩擦阻力系数;ΔpAθ为环形分流流道的静压差;ΔpBθ为环形集流流道的静压差;vA0为环形管分流进口端流速,m/s;vB0为环形管集流出口端流速,m/s。2环形分布器静压变化的模型计算如图5所示的环形分布器,圆管的内径为20mm,环形通道的半径为535mm(以管中心线计),整个环形管分为流动稳定区(长500mm)、恒质量流动区(长1500mm)和变质量流动区(长1000mm)3个部分,在变质量流动区均匀开10个直径为7mm的小孔,实验介质为水,q0为初始流量。采用文献中的分流与合流的静压变化公式和参数,合流流道的压力变化的相对误差在15%左右,而分流流道的压力变化的相对误差更大,在80%左右。采用式(3)和式(4)对环形分布器的静压变化进行计算,其分流与合流的动量交换系数k采用在直管分布器上由实验所获得的变质量流的动量交换系数式,kd=0.57+0.15vb/va(5)kc=0.98+0.17va/vb(6)若在分布器上主流道速度变化很小,va≈vb,则可简化为kd=0.72,kc=1.15。将上述动量交换系数代入环管分布器分流和集流修正动量方程式(3)和(4)中,其计算值与实验值比较如图6和7所示,结果表明,在环形分流流道中,由于动量交换项远大于摩阻项,当θ从0到θL时,其静压是逐渐增加的,模型计算值与实验结果完全一致;而在环形集流流道中,由于动量交换项与摩阻项的符号一致,所以θ从0到θL时,其静压是逐渐下降,为负值,模型计算值与实验结果完全吻合,而且分流流道和合流流道压力变化的相对误差均在10%之内,说明由直管分布器中实验获得的动量交换系数对环形流道也是适用的。3分流静压变化的分析方法(1)与直