大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计.pdf

压 力 容 器第 41 卷第 1 期2024 年 1 月 63 收稿日期：2023-10-10 修稿日期：2023-12-25doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 01 008设 计 计 算大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计高章帆，宋 尧，王智拓，王俊夫，刘彭华，刘维红（中国成达工程有限公司，成都 610000）摘 要：环盘结构是大型换热式反应器中最常用的壳程导流结构之一，针对环盘折流板结构参数的选择影响反应器壳程流场特性的情况，分析了环盘型折流板的结构特性，发现大型反应器折流板相对板距 d*的取值通常为0.150.20；在此基础上建立了不同相对缺口面积 S*条件下的模型进行流场模拟；详细分析折流板结构参数对壳程流体流动形态、停留时间分布和压降特性的影响，综合考虑后提出 S*=0.150.30是大型反应器相对缺口面积的合理设计范围；最后，根据现有研究中单弓型折流板换热器的数据，在模拟的结构条件范围内对比了环盘和单弓结构的性能，为工程设计提供指导。关键词：换热式反应器；环盘折流板；流动形态；停留时间分布；压降中图分类号：TH122；TQ052.6 文献标志码：A Numerical simulation of fluid flow and structural design of large reactor with ring and disk baffleGAOZhangfan，SONGYao，WANGZhituo，WANGJunfu，LIUPenghua，LIUWeihong（ChengdaEngineeringCorporationofChina，Chengdu 610000，China）Abstract：Ringanddiscbaffleisoneofthemostcommonlyusedflowdiversionstructuresinlargeheattransferreactors Theselectionofstructureparametersofringanddiscbaffleaffectstheflowfieldcharacteristicsofthereactorshellside Thestructurecharacteristicsofthelargeringanddiscbafflereactorwereanalyzed，itisfoundthat0 150 20isthereasonabledesignrangeofthebaffled*inthelargereactor Onthisbasis，themodelsunderdifferentrelativegapareaS*wereestablishedtosimulatetheflowfield Theinfluencesofthebafflestructureparametersontheflowpattern，residencetimedistributionandpressuredropcharacteristicswereanalyzedcomprehensively，thenitwassuggestedthat0 150 30wasareasonabledesignrangeforthebafflestructureparameterS*Finally，accordingtothedataofthesegmental-baffleheatexchanger，theperformanceofthering-discandthesegmentalstructurewascomparedintherangeofsimulatedstructuralconditions，whichprovidesguidanceforengineeringdesignKey words：heattransferreactor；ringanddiscbaffle；flowpattern；residencetimedistribution；pressuredrop0 引言大型换热式反应器通常采用环盘型折流板，例如乙二醇装置中的加氢反应器和羰化反应器等大多采用环盘结构1。这些反应器体积大，内径可达45006000mm，设备的制造成本高，以某年产60万 t 乙二醇工程项目的环盘反应器为例，该项目中反应器的制造成本可达2.5亿元人民币，故保证反应器后期稳定和高效的运行是工程设计的关键。环盘折流板制造和安装方便，但目前常用的一些换热器分析软件（如 HTRI），并不能分析该类型的折流板，无法提供环盘折流板的结构条件。目前，关于环盘折流板结构的研究也相对较少。夏天等2采用 Fluent 软件考察了环盘折流板反应器中不同管板环隙对管外冷却介质温度分布和流动压降的影响；李滨滨3模拟了单组折流板缺口面积和间距的条件下，换热器壳程温度和压降的变化趋势；吴秋华4研究了环盘折流板开孔对换热器壳程性能的影响。以上这些研究中对环盘折流板关键参数的设计方案没有进行充分地研究，难以对工程设计提供指导。在此情况下，环盘64PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024折流板的结构参数只能凭经验取值，这难以保证反应器壳程流体的流动性能。鉴于此，本文利用数值模拟计算不同环盘折流板结构条件下反应器壳程的流场，对反应器壳程流体的流动和压降进行分析，提出大型反应器中环盘折流板合理的结构参数范围，为工程设计提供指导；并参考现有文献研究中的数据，以对比分析本研究范围内环盘和单弓型折流板壳程流体的综合性能。1 数值模型和模拟方法1.1 模型及方案环盘折流板的间距和缺口面积是决定反应器壳程流动性能的关键结构参数5-9，为有效类比不同内径的反应器并简化模型，将折流板的间距和缺口面积无因次化。定义相对板距 d*和相对缺口面积 S*如下：d*=d/D（1）S*=S/A（2）式中，d 为折流板距，mm；D 为设备内径，mm；S 为折流板缺口面积，mm2；A 为设备横截面积，mm2，A=D2/4。工程上典型的换热式反应器如图1所示。反应介质通过管程入口进入反应管，反应管中装满了催化剂，壳程为吸热或放热介质，用以控制反应管中催化反应过程的温度，从而保证反应高效稳定地进行。图1 换热式反应器结构示意Fig.1 Structuraldiagramofaheattransferreactor为了控制反应管的应力在强度允许范围内，通常反应器中折流板的无支撑跨距不能太大，且无支撑跨距过大会发生流体诱发振动。对于碳素钢和高合金钢常用的30mm38mm 反应管，GB/T1512014热交换器中允许的最大无支撑跨距为21002500mm，为了保证应力有充足的裕量，通常将其控制在2000mm 以内，即折流板的间距不超过1000mm，这使得内径为45006000mm 的大型反应器折流板的相对板距 d*为0.150.20。因此对于大型的环盘反应器，只需在该范围内确定出折流板合理的缺口面积即可。以某一在建工程项目中的2台大型环盘反应器为例，其内径分别为4600，5800mm，反应管数量分别为8084，16454，反应管长度分别为7000，6000mm，根据强度设计，其折流板距分别为800，900mm，故其相对板距d*分别为0.17，0.16。为在该 d*条件下确定出合理的相对缺口面积 S*，将设备模型等比例缩小，同时由于反应器主要功能区域为折流板间的流程区域，因此为计算方便，忽略进出口管段的流程，简化后的三维模型如图2所示。壳体内径 D=150mm，壳体长600mm；反应管外径14mm，管中心距21mm，管数为32。同时设计了表1中的5组结构。图2 模型结构示意Fig.2 Structuraldiagramofmodel表1 折流板结构参数Tab.1 Structuralparametersofbaffle结构序号折流板数d/mmd*圆环内径/mm圆盘外径/mmS*125250.17381450.06225250.17601370.16325250.17801260.30425250.171001120.45525250.17116950.601.2 控制方程及求解条件采用 Fluent 软件，在有限体积离散的计算域65高章帆，等：大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计内建立标准的不可压缩质量守恒方程、Navier-Stokes 方程和组分输运方程，对壳程流体的流动过程进行三维数值模拟，选择适用范围最广泛的标准 k 模型作为本文计算的湍流模型。=u0（3）+=+utuufpu12（4）+()=ctucScciitti（5）式中，=u0为流体速度，m/s；t为流动时间，s；f为源项；为流体密度，kg/m3；为运动黏度，m2/s；ci为单位流体中示踪剂的浓度，kg/m3；t为流体的湍动黏度，Pa s；Sct为施密特数。壳程流体采用20的常温水，进出口边界条件为速度入口和压力出口，进口速度依据换热器壳程流体常用速度范围取值1，入口流量 Q=14.3m3/h，出口压力设置为0Pa，折流板、换热管及设备壁面均为无滑移壁面。计算方法采用压力速度耦合的 SIMPLE 算法，压力插值格式采用PRESTO 算法。动量方程采用二阶迎风格式，湍动能和湍流耗散率方程釆用一阶迎风格式。1.3 模型网格划分及无关性验证网格模型如图3所示。由于三维模型几何对称，将模型 z 方向的中面设置为对称面，建立了1/2网格模型。模型整体采用六面体结构网格，考虑到流动边界层的影响，将设备和折流板壁面处的网格进行局部加密。图3 网格模型示意Fig.3 Schematicdiagramofthegridmodel流动模拟结果的准确性受网格数量的影响很大，以 S*=0.30的模型为例进行网格无关性验证，计算了不同网格数量下反应器壳程进出口的压降 p，结果见表2。可以看出，当网格数量达到149万以后，壳程进出口压降的变化已经很小，说明此时计算的精度已基本与网格无关，采用更精密的网格计算不经济，故本研究不同条件下的模型网格数量均为149万左右。表2 网格数量对压降的影响Tab.2 Effectofmeshnumberonpressuredrop项目网格数量430178 830446 1494801 2092722 2929810压降 p/Pa 9137393006941619421394227压降相对偏差（%）3.0291.2960.0700.01502 模拟结果讨论2.1 壳程流场分析折流板不同缺口面积下反应器壳程沿 z 方向中面及单位折流通道宽度中面的速度分布如图4所示。图4 折流板不同缺口面积下的速度云图Fig.4 Velocitycontourwithdifferentgapareaofbaffle由图4可以看出，由于边界条件的限制，反应器壳程中流体呈现不均匀分布，当 S*0.30时，设备中存在较大面积的流动死区，死区主要分布在设备的中心处；对比不同缺口面积下反应器壳66PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024程的速度分布可知，随着折流板结构参数的变化，换热器壳程死区的分布情况会发生变化，且死区分布的面积随着折流板缺口面积的增大而增大，说明此时 S*越小，设备的流动性能就越强。反应器中死区的存在会使得传热面积利用率低，降低传热性能10，从而导致死区区域内换热管中的反应温度达不到预期，使得反应失控，同时损坏催化剂11，故合理选择环盘折流板的结构参数，从而保证反应器壳程流体的流动性能至关重要。2.2 壳程流体停留时间的分布特性停留时间分布（ResidenceTimeDistribution，RTD）作为设备中流体流动的有效研究手段12，其广泛应用于化工设备中流体流动行为的研究13-16，通常采用脉冲响应法测试设备中流体的RTD17-19。脉冲响应法，即 t=0时刻在设备入口以脉冲注入方式瞬时注入示踪剂，同时在设备出口记录示踪剂的浓度响应曲线 C（t），再计算出设备中流体 RTD 密度函数 E（t）的方法。E tC tC ttC tC ttii()=()()=()()+d0书书书书书书（6）模拟时，测试设备中流体 RTD 的步骤如下，该模拟方法已有相关研究验证6，20-21。（1）首先将流场计算到稳态；（2）在入口设置示踪剂的体积分数，并在合适的时间内注入适量的示踪剂；（3）将入口示踪剂的体积分数设置为0，并在出口监测示踪剂的浓度变化曲线 C（t）；（4）通过式（6）求得设备出口流体的 RTD 密度函数 E（t）。为计算方便，定义无因次时间和无因次RTD 密度函数 E（）如下：=t/=tt（7）EtE t()=()（8）式中，=tt为流体在设备中的平均停留时间，其值为壳程体积 V 与流量 Q 的比值，即=tt=V/Q。停留时间的方差能表征 E（）曲线的分散程度，从而反映设备的流动性能。方差越小，表明流体的停留时间分布越集中，设备中的流动模型越趋于平推流，因此设备的流动性能就越强；特别地，220=()()+Ed=0表示设备中的流动模型为理想的平推流。方差220=()()+Ed的计算式如下：220=()()+Ed书书书220=()()+Ed（9）其中：=()+0Ed书书书=()+0Ed（10）式中，=()+0Ed为 E（）曲线的一次矩。折流板不同相对缺口面积 S*下的 E（）曲线如图5所示。可以看出，折流板不同 S*下壳程流体的 RTD 曲线差异很大，随着 S*的增大，RTD曲线的出峰时间越早，曲线的分散程度越大；特别当 S*=0.60时，其 RTD 曲线的出峰时间仅为0.2左右，说明设备中的流体可能存在明显的短路现象6。因此，截取了=0.1和=0.3时，设备中示踪剂的分布云图，如图6所示。可以看出，当S*=0.60时，设备中的流体分两股，一股流体通过环盘折流板的非重叠区域直接短路流出设备；另一股流体通过湍流扩散进入设备中心区域的死区，再缓慢地流出设备，故其 RTD 曲线有很长的拖尾。图5 折流板不同 S*下的 E（）曲线Fig.5 E（）curveunderdifferentS*ofbaffle图6 S*=0.60条件下设备中示踪剂的分布云图Fig.6 TracerdistributioncontourwithS*=0.60图7示出=0.5时折流板不同 S*下设备中示踪剂的分布云图。可以看出，随着折流板相对缺口面积 S*的减小，设备中流体的分散程度越小，67高章帆，等：大型环盘折流板反应器壳程流动模拟及结构设计反应器壳程流体的流动逐渐接近于平推流；当S*0.30时，反应器壳程流体的流型类似于非理想流动模型中的轴向扩散流12，即管式流动，说明此时设备中的流型较好，故设计时反应器壳程折流板的 S*取值应0.30。图7=0.5时折流板不同 S*下设备中示踪剂的分布云图Fig.7 TracerdistributioncontourunderdifferentS*ofthebafflewith=0.52.3 壳程的方差和压降特性及环盘结构参数的选择反应器设计不仅要考虑设备的流动特性，设备运行时所需的能耗也非常重要。折流板不同S*下反应器壳程进出口的压降 p 如图8所示。同时，根据图5计算了不同条件下 RTD 曲线的方差（见图8）。由图8可以看出，当相对缺口面积 S*0.30时，方差220=()()+Ed随着折流板缺口面积的增大而增大，说明此时越 S*大，RTD 曲线的分散程度越大，即反应器壳程流体停留时间的分布越分散，流型越接近于全混流；同时可以发现，当 S*0.30时，不同 S*下方差的变化很小，说明此时折流板缺口面积对反应器壳程流体停留时间分布特性的影响不大，这与反应器壳程示踪剂分布云图（见图7）所分析的结果一致。图8 不同 S*下的压降 p 和方差2的变化Fig.8 Changeofpressuredroppandvariance2underdifferentS*由图8反应器壳程压降随折流板 S*的变化可知，随着折流板 S*的减小，压降也同时增大，但当 S*0.15后，由于流体流过折流板的流通面积太小，压降会急剧陡增，但此时设备中流型的变化并不明显，说明设计时取 S*0.15并不经济。因此，综合分析后，S*=0.150.30是大型反应器相对缺口面积的合理设计范围。根据多个工程项目现场反馈的换热式反应器的运行情况，并结合设计条件总结后发现，S*取0.3左右的运行情况较好，例如目前工程上乙二醇反应器中催化剂的运行周期最长是4年，超过期限后乙二醇的收率会达不到预期，需要更换催化剂；而 S*超过0.3时反应器的运行周期明显更低，目前最短的运行周期为1年。这说明本研究数值模拟的结论是相对准确的。2.4 环盘与单弓型折流板综合性能的对比参照现有研究中的数据5，并结合本文研究的内容，在折流板相对板距 d*=0.17时对比了不同缺口面积下环盘型折流板和单弓型折流板的综合性能。定义效能因子 EEI=220=()()+Edp 来表征不同结构条件下折流板的综合性能，EEI 越小，说明折流板的综合性能越好。折流板合理的相对缺口面积 S*=0.150.45范围内，两种折流板不同 S*下的EEI 计算结果如图9所示。文献5中单弓型折流板不同缺口高度 h*为0.2，0.33，0.45条件下，对应的相对缺口面积 S*分别为0.14，0.29，0.44。68PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024图9 环盘型与单弓型折流板 EEI 的对比Fig.9 ComparisonofEEIofring-discandsegmentalbaffle从图9可以看出，两种类型折流板的效能因子 EEI 均随着相对缺口面积 S*的增大而增大，单弓型折流板的增幅更明显，说明此时折流板缺口面积越小，设备的综合性能越强，且折流板缺口面积的变化对单弓型折流板综合性能的影响更大；同时，不同 S*下环盘型折流板的效能因子EEI 均小于单弓型折流板，说明相对板距 d*=0.17时，环盘型折流板比单弓型折流板的综合性能更好。3 结论（1）对比不同结构条件下反应器壳程流体的速度分布，发现当折流板相对缺口面积 S*0.30时，设备中存在较大面积的流动死区，死区主要分布在设备的中心处；设备中死区的面积随着折流板缺口面积的增大而增大。测试了反应器壳程流体的 RTD，分析了设备中示踪剂的分布特性，发现当 S*0.30时，随着 S*的增大，壳程流体停留时间的分布越分散，特别在 S*=0.60时，设备中存在明显的短路现象；S*0.30时，反应器壳程流体的流型类似于管式流动，折流板缺口面积对反应器壳程流体流型影响不大。（2）反应器壳程的压降随着 S*的减小而增大，但当 S*0.15后，压降会急剧陡增；综合考虑设备的能耗和性能，S*=0.150.30是大型反应器相对缺口面积的合理设计范围。（3）对比环盘型和单弓型折流板的效能因子EEI 后发现，在 d*=0.17时，环盘型比单弓型折流板的综合性能更好；S*越小，设备的综合性能越强，且 S*的变化对单弓型折流板综合性能的影响更大。参考文献：1 郑津洋，桑芝富 过程设备设计 M 第3版 北京：化学工业出版社，2015：237-248ZHENGJY，SANGZF ProcessequipmentdesignM 3rdEd Beijing：ChemicalIndustryPress，2015：237-2482 夏天，束忠明，沈荣春，等 错流列管式反应器管间流动与传热的 CFD 模拟J 化学反应工程与工艺，2018，34（5）：385-392XIAT，SHUZM，SHENRC，etal CFDsimulationofflowandheattransferintheshellsideofcross-flowmulti-tubularreactor J ChemicalReactionEngineeringandTechnology，2018，34（5）：385-3923 李滨滨 盘环形折流板热交换器流动与传热数值模拟D 济南：山东大学，2021LIBB NumericalsimulationofflowandheattransferinheatexchangerwithdiskannularbaffleD Jinan：ShandongUniversity，20214 吴秋华 圆盘板开孔对缩放管盘环式换热器壳程性能影响的数值研究J 化工机械，2013，40（3）：379-382WUQH Numericalsimulationofeffectofdiscplates openingsonshellsidepropertiesofcoiledheatexchangerwithconvergent-divergenttubesJ 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