蔡惠斌;戴干策
【摘 要】This work aims to provide basis of design by describing fluid flow in a sulfuric acid alkylation reactor from CFD simulations. A multiple reference frame (MRF) with standard k-e turbulence model was used to study the effect of structure parameters such as, the distance of impeller center from the bottom of the hydraulic head C, the ratio of impeller diameter to draft tube diameter of impeller zone D/Td0, the ratio of reactor length to reactor diameter LIT, the spacing of heat transfer tube d, and the structure type of transition zone. The results show that the flow in the alkylation reactor consists of a major circulating flow in superposition with a number of minor vortexes. From the CFD results, an optimal set of structure parameters was obtained as: C was 0.2T, L/T was 5, D/Td was 0.686, of was 0.01 m, with an eccentric structure of transition zone.%为给反应器的开发提供设计依据,研究了硫酸法烷基化反应器内的流体流动.采用标准k-ε模型结合多重参考系法考察了反应器的结构尺寸如叶轮离水力头底部距离C、反应器的长径比L/T、叶轮直径与叶轮区导流简直径比D/Td0 、换热管间距d及过渡区结构型式变化对流动特征的影响.研究表明,反应器内的流场是主循环流动叠加若干次要流动结构.通过考察不同结构对流动特征的影响,确定了较为适宜的反应器结构参数(C为0.2T,L/T为5,D/Td0为0.686,d为0.01 m),过渡区的结构型式为偏心结构.
【期刊名称】《化学反应工程与工艺》
【年(卷),期】2012(028)005
【总页数】斗齿8页(P391-397,468)maop
【关键词】烷基化反应器;计算流体力学;结构效应;流动特征
新疆农业科学【作 者】蔡惠斌;戴干策
【作者单位】华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海,200237
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ027
资本资产定价模型直馏汽油的辛烷值较低，实际使用的汽油通常需与烷基化油等调合来提高辛烷值。随着车用汽油环保要求的日益严格，烷基化油的产量和需求也逐年增加。烷基化技术主要有法烷基化、硫酸法烷基化以及替代烷基化等，其中替代烷基化技术包括固体酸烷基化、离子液体烷基化及可再生烷基化等。国内外积极开发替代烷基化技术，部分替代烷基化技术（如离子液体烷基化）也开始可工业化生产，但是现今烷基化技术的主流是法及硫酸法[1]。我国急需开发硫酸法烷基化的自主技术，因而从事这类反应器的开发强化有重要的现实意义。
硫酸法烷基化反应器的筒体是一卧式容器[2,3]，包含搅拌叶轮、导流筒和U形管束等主要部件。叶轮用于旋转驱动并分散酸烃原料，管束则用于移去反应热。烷基化反应的工程特征研究表明，反应控制步骤是异丁烷向酸相的传质速率[4]，故烷基化反应要求一定大小的液滴及相对较窄的分布，而液滴大小则主要决定于叶轮流场的湍流能量耗散速率[5]。烷基化反应是放热反应，而反应条件要求较低的反应温度[4]，因此要求反应器极强的散热能力，这除了提供大的换热面积，还需尽可能高的传热系数，基于此采取强循环既能满足改善传热又能有利于减少液滴在管束间的聚并及沉降。上述初步分析显示，选择搅拌叶轮的基本原则是强循环和适度剪切，反应器的传递性能应在此基础上进行考察。传统的研究方
法是实验测定及数据的无量纲处理或者对过程简化做模型化研究。随着计算机运算及储存能力的极大提高、计算数学的发展，计算流体力学（CFD）日益成为反应器开发、放大的有效工具。常规搅拌反应器的CFD分析无论是对径向流还是轴向流单相流场都已有大量研究[6-9]，近年来对气液、液液两相研究也引起极大关注。
烷基化反应发生在搅拌叶轮作用下的液液体系中，应该进行两相行为的模拟分析。但是，单相流场不仅是两相模拟的基础，而且反应器的诸多性能的了解需要借助单相流场的分析。烷基化这种叶轮混合与列管换热结合的热交换反应器(Heat Exchange Reactors)或反应热交换器(Reactor Heat Exchanges)的内构件众多，几何结构特别复杂，使计算颇具挑战性，对其进行CFD分析，尚未见文献报道。本工作将采用多重参考系（MRF）法结合标准k-ε湍流模型[6]在考察全流场基本流型基础上，重点分析叶轮混合与列管换热器区域速度分布与湍流参数，并以管束区循环速率和叶轮区湍流耗散为主要特征优化反应器基本结构。
1 反应器的几何模型及计算方法
烷基化反应器的结构型式如图1所示。为考察反应器结构尺寸对反应器内流动特征的影响，
表1给出了各种不同结构参数。反应器直径T为0.286 m，长度为L，叶轮区反应器的直径T0为0.194 m，导流筒直径Td为0.194 m，叶轮区导流筒直径Td0，叶轮直径D为0.096 m，叶轮离水力头底部距离C，换热管直径dm为0.015 m，换热管间距d，采用正方形排布。反应器长径比L/T为6.6时，换热管长l为1.2 m；当反应器长径比L/T为4，5和9时，对应的换热管长l分别为0.681，0.881和1.682 m。搅拌叶轮为翼型桨（6K5U），与文献[10]的结构型式相近。在划分网格时，对叶轮区、导流筒与叶轮之间的间隙、水力头部分进行加密，在管束的U形部分、叶轮区及水力头部分采用四面体网格，其他部分为六面体网格。通过对不同网格尺寸的试算，结合计算效率选择一种对结果影响最小的网格。
图1 烷基化反应器Fig.1 Schematic diagram of alkylation reactor1-outlet; 2-shell; 3-draft tube; 4-tube bundles; 5-sulfuric acid inlet; 6-hydrocarbon inlet; 7-impeller; 8-hydraulic head
表1 烷基化反应器的结构参数Table 1 Different geometry parameters of the alkylation reactorCase Geometry parameters C D/Td0 L/Td/m Impeller Transition zone Grid number of moving zone×10-4 Grid number of stationary zone×10-4 1 C 0.1T 0.857 6.60.
005 6K5U homocentric 261 43 2 C 0.2T 0.857 6.60.005 6K5U homocentric 286 43 3 C 0.3T 0.857 6.60.005 6K5U homocentric 295 43 4 C 0.4T 0.857 6.60.005 6K5U homocentric 304 43 5 D/Td0 0.3T 0.686 6.60.005 6K5U homocentric 300 43 6 D/Td0 0.3T 0.600 6.60.005 6K5U homocentric 294 43 7 L/T 0.3T 0.857 4 0.005 6K5U homocentric 211 43 8 L/T 0.3T 0.857 5 0.005 6K5U homocentric 247 43 9 L/T 0.3T 0.857 9 0.005 6K5U homocentric 403 43 10 Transition zone 0.3T 0.857 6.60.005 6K5U eccentric 314 43 11 d 0.3T 0.857 6.60.010 6K5U homocentric 224 43 12 d 0.3T 0.857 6.60.015 6K5U homocentric 233 43
计算模拟的物系为水，烃进料口流速为0.006 4 m/s，酸烃进料口流速比为1.1:1。表1中case3的操作转速N为1 000、1 500、2 000、2 500及3 000 r/min，其余计算case的N均为2 000 r/min。采用商业软件Fluent，选用标准k-ε湍流模型，动区与静区的处理方法为多重参考系法，近壁区的处理采用标准壁面函数法，固体壁面为无滑移边界，进口边界条件为速度入口（Velocity Inlet），出口边界条件为压力出口（Pressure Out）。压力与速度的耦合方式采用SIMPLE算法，压力项离散格式改为二阶（Second Order），动量、湍流动能、湍流耗散率的离散格式均为二阶迎风（Second Order Upwind），压力项的松弛因子
为0.7，动量的松弛因子为0.3，湍流动能、湍流耗散率的松弛因子均为0.5，其余为默认值，连续性方程的残差为10-4，动量方程及湍流模型方程的收敛残差为10-5；计算至收敛后得到不同case的流场信息。
2 结果与讨论
张炜你在高原
2.1 模型验证
弹性夹头为保证计算结果的可靠性，除进行网格大小的独立性检验之外，还设计了结构尺寸与表1中case2相近的反应器，比较CFD模拟与实验得到的功率准数。其具体的结构尺寸如下：L=2.093 m，T=0.286 m，T0=0.2m，Td=0.192 m，Td0=0.1 m，D=0.09 m，dm=0.025 m，d=0.01 m，l=1.2 m，C=0.2T。搅拌叶轮为螺旋桨，进行间歇操作，不考虑反应器进出口。计算的方法与前文中的介绍相同，结果如表2所示。
从表2可以看出，实验与模拟得到的Np相差较小，模拟与实验误差约为9%，模拟结果与实验结果接近，因此数值计算基本合理。
表2 实验的与模拟的功率准数Table 2 Experimental and calculated Np?
2.2 硫酸法烷基化反应器内（case3）的流动特征
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