双切线软质炭黑反应炉内运动状态研究_袁景彬.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .双切线软质炭黑反应炉内运动状态研究袁景彬，李岗领，刘江红（龙星化工股份有限公司，河北 邢台）摘 要：炭黑是许多烃类物质经不完全燃烧或裂解生成的，反应炉是炭黑生产过程中最重要的设备，分为软质反应炉和硬质反应炉，其中软质反应炉中的双切线反应炉是较特殊的一类，反应原理比较复杂，文章从离心运动的角度对双切线反应炉内部热烟气的运动状态进行分析，并说明在生产过程中旋转运动对生产的一些影响及避免这种副作用的方法。关键词：炭黑；软质反应炉；离心运动；旋转运动中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）第一作者：袁景彬（），男，硕士研究生，中级工程师，研究方向为炭黑生产技术。，（，）：.，.，.，.：；当今，炭黑这一术语通常指炉法炭黑、槽法炭黑、热裂法炭黑和灯烟炭黑等所构成的一组工业产品，“炭黑”是包含着各种用途的炭黑产品在内的总称。其中橡胶用炭黑是产量最大的一个类别。在橡胶工业中，炭黑主要用作橡胶补强剂，是仅次于生胶的第二大橡胶材料。炭黑是许多烃类物质经不完全燃烧或裂解生成的，反应在高温高速下进行。炭黑的生成过程是在反应炉中进行的。炭黑反应炉是炭黑生产过程中最重要的设备，现代炭黑反应炉一般分为燃烧段、喉管段、反应段、急冷段和停留段，按生产品种又分为软质反应炉和硬质反应炉。硬质反应炉一般为文丘里形式，只有一个入风口，而软质反应炉一般为双切线反应炉，有两个进风口。虽然软硬质反应炉分段基本一致，但是其反应炉结构又有明显差异，反应机理又略有不同。目前大部分企业通过改变燃烧段和原料喷入方式对反应炉进行改造。王智博等通过改善空气入口结构，提高空气与燃料的混合均匀度改善燃烧，缩短燃烧火焰，提高燃烧效率的方向对反应炉进行改进。汤国军等采用反应炉内置燃烧和反应多级对喷法，实施低温法生产炭黑，达到降低反应炉焦粒的目的。相比较来说，双切线反应炉原理更复杂。本文从离心力角度对双切线反应炉内部气流的运动状态进行模拟分析探讨。双切线反应炉内部烟气运动理论基础.双切线反应炉示意图首先将双切线反应炉示意图绘制如图、图 所示。图 双切线反应炉正视示意图.图 双切线反应炉俯视示意图.广 州 化 工 年 月从双切线反应炉结构来看，反应炉内部呈圆筒状，反应炉进风口有两个，分别在反应炉前部的圆周上下切线方向。燃料（天然气或者燃料油）与过量空气在进风口燃烧区燃烧后形成高温热烟气，随后高温烟气从两个进风口呈切线方向进入反应炉内，在反应炉内圆周方向进行旋转运动呈螺旋状向前高速前进。.理论基础在物理学领域，当流体围绕某一中心轴做圆周运动时，便形成了惯性离心力场。在半径为、切向速度为 的位置上，离心加速度为 ；可以看出，离心加速度不是常数，而是随在圆周不同位置及切向速度而变，其方向是延旋转半径从中心指向外周。对于圆周运动，在旋转流体中的物体所具有的向心力为：（）其内部物体受到的惯性离心力的计算公式是：（）式中：为向心力；为离心力；为圆周运动线速度；为圆周半径；为旋转流体微粒质量；为内部物体质量。可知，向心力和惯性离心力与物体质量成正比，与线速度的平方成正比，与半径成反比。在物体所处某一位置，线速度和半径可认为是不变的，其向心力和惯性离心力仅与质量有关。当流体带着颗粒旋转时，如果颗粒密度大于流体的密度，那么其受到惯性离心力就会大于向心力，就会使颗粒在径向方向与流体发生相对运动而飞离中心。双切线反应炉内部热烟气运动状态分析对于双切线反应炉来说，其内部热烟气的运动为圆周旋转推进运动：首先热空气与燃料燃烧，产生的热烟气经反应炉两侧切线方向入口进入圆筒型反应炉内部，由于反应炉内壁的约束作用，开始进行圆周旋转运动，在反应炉内部形成旋转推进气流。由于炉壁的阻挡作用，热烟气压迫炉壁表面，使得炉壁表面压力升高，并由于旋转运动，在其轴向中心方向形成低压区。原料油喷入时首先经雾化风雾化，雾化后原料油会形成微米级的微小液滴并以一定的速度从枪孔喷出，大部分原料油喷出后会集中在反应炉内部旋转气流的中心低压区域，并且大都具有较高的动能。在惯性的作用下，具有较大动能的液滴足够冲破离心力对其运动路径的干扰，从而进入反应区参与裂解反应生成炭黑。而在雾化边缘区域，会有少部分动能很小的原料油液滴，这部分液滴受自身重力和旋转气流的影响在反应炉内发生向外围扩散现象，并进入到旋转气流内，随气流进行旋转圆周推进运动。我们假设烟气分子的质量为，每个液滴的质量为，在反应炉内的半径为，具有的线速度为，那么对于每个小液滴，受到的向心力为：（）受到的离心力为：（）很明显，液滴的质量 大于烟气分子质量，所以，因而微粒会发生离心运动。发生离心运动的微粒向炉壁方向呈螺旋扩散。这些微小液滴随旋转气流做旋转运动同时会与气流中的过剩氧气发生燃烧反应，剩余部分在高温下发生裂解反应生成炭黑。其中的少量颗粒由于直径和重量偏大（见图），在旋转扩散过程中没有燃烧完，会与前部或者侧面反应炉内壁碰撞，在低压区的影响下甚至会发生部分颗粒回返现象，这些颗粒再次与反应炉内壁接触后会在内壁表面燃烧，导致这部分炉壁表面形成高温区，造成反应炉壁表面温度超出耐火砖的耐温极限使其烧融损坏，导致反应炉使用寿命变短（图）。图 原料油雾化模拟图.图 反应炉内壁冲刷图.结 论由于双切线反应炉内旋转气流的离心力作用，造成原料油雾滴和生成的炭黑微粒回返和碰壁不仅损坏反应炉，还会造成原料油的不必要消耗。在使用双切线反应炉进行炭黑生产时，应该尽量避免产生过多的动能偏小的微粒，可以从炭黑生产工艺考虑，比如降低旋转速度，提高微粒动能、降低系统阻力等来避免这种内耗反应，从而提高产品收率和延长反应炉使用寿命。参考文献 李炳炎.炭黑生产与应用手册北京：化学工业出版社，：.吴立峰，丁丽萍.炭黑应用手册北京：化学工业出版社，：.王智博，付布臣，王恒超，等.一种硬质炭黑反应炉：，.汤国军，张晓明，徐全良，等.炭黑反应炉及其反应方法：，.李入林.化工原理长沙：国防科技大学出版社，：.